多晶硅原料處理過程中質量控制措施探討

摘 要：多晶硅質量受多方面因素影響，本文結合生產實際，分別從提高原料純度，加強分析手段、控制生產過程中的溫度、合理選擇混合氣配比、保持設備潔凈、強化精餾效果、提高質檢工作人員業務素質和質量意識等方面進行了分析，以逐步提高多晶硅質量。

關鍵詞：多晶硅 生產工藝流程 質量控制

中圖分類號：O657.63 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0154-01

隨著新能源及光伏產業的迅速發展，多晶硅產業也得以高速發展。多晶硅是生產單晶硅的直接原料，是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉換等半導體器件的電子信息基礎材料，被稱為“微電子大廈的基石”。目前國際上主要采用傳統工藝改良西門子法生產多晶硅，現結合公司生產實際，總結一下改良西門子工藝中多晶硅原料處理過程中質量控制措施。

1 多晶硅生產工藝流程簡介

多晶硅是由硅純度較低的冶金級硅提煉而來，目前國際上多晶硅生產主要采用改良西門子法、硅烷法和流化床法等方法，改良西門子法是最主要的方法，采用此方法生產的多晶硅約占多晶硅全球總產量的85%。這種方法節能降耗作用顯著、成本低、質量好，對環境不產生污染，因而具有明顯的競爭優勢。多晶硅生產工藝流程如下：（1）石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業硅。（2）進一步提純，把工業硅粉碎并用無水氯化氫與之反應在一個流化床反應器中，生成擬溶解的三氯氫硅，同時形成氣態混合物（H2，HCl，SiHCl3，SiCl4，Si）。（3）第二步驟中產生的氣態混合物還需要進一步提純，需要分解：過濾硅粉，冷凝SiHCl3，SiC14，而氣態H2，HCl返回到反應中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiHCl3，SiCl4，凈化三氯氫硅（多級精餾）。（4）凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。

2 多晶硅原料處理過程中質量控制措施

2.1 提高原料純度，加強分析手段，提高分析靈敏度

決定產品質量的因素很多，其中原料，中間化合物如硅鐵、液氯、氫氣、三氯氫硅等的雜質的存在，對產品的質量起決定性作用。因此，在制備過程中應盡量減少雜質的玷污，提高原料的純度，加強化學、物理的分析檢測，一般采用光普、極普、質普和氣相色普等分析手段檢測。太陽能級多晶硅應重點加強其對原料三氯氫硅、氫氣等的質量控制，控制三氯氫硅質量的主要措施有控制粗餾三氯氫硅≥98.5%、B<50 ppbw、P<5 ppbw、Fe<500 ppbw，控制精餾操作中回流比穩定在20以上，保證再沸器出口溫度穩定，保證三氯氫硅的收率在75%左右。另外氫氣、氮氣、氬氣露點、氧含量、二氧化碳和一氧化碳含量也極大的影響多晶硅質量。因此生產過程中要嚴格控制氫氣、N2和氬氣純度，硅芯加熱前要用充分的置換時間，把爐內空氣和爐壁上的水分趕凈，裝爐前要認真對設備做檢查防止漏水現象。

2.2 控制生產過程中的溫度

實踐證明在900 ℃～1000 ℃間，SiHCl3以熱分解為主，1080 ℃～1200 ℃間以還原反應為主，1200 ℃以上副反應、逆反應同時發生。溫度在1080 ℃以下亦有SiHCl3還原反應會發生，生成的多晶硅質量不佳。還原溫度較低時，會形成暗褐色的無定形硅夾層，這種夾層中間常常有許多氣泡和雜質，在拉單晶前無法用酸腐蝕掉，在拉單晶熔料時，輕者使硅棒液面波動，重者產生硅跳以至于無法使用。為避免以上現象的出現應注意：啟動后空燒半小時，溫度在1080 ℃～1100 ℃進料，整個生產過程中溫度也應穩定控制在1080 ℃。

2.3 合理選擇混合氣配比

在氫還原SiHCl3的過程中，用化學當量值進行氫還原時，產品是褐色粉末狀非晶形硅析出，收率低。當氫氣與三氯氫硅為1∶1或1∶2時，除氣固相反應外，還會發生氣相反應，反應產物硅氣相聚合后呈粉狀飄落在爐膛內污染整個爐膛。選擇合適的配比既有利于提高硅的變化率，又有利于抑制B、P的析出。目前國內生產多采用氫氣比三氯氫硅為10∶1或7.5∶1。一般選擇配比5∶1較為經濟，小于5∶1時，生長速度放慢，轉化率降低。

2.4 保持設備潔凈

多晶硅生產過程中，工藝衛生是不容忽視的重要環節，在生產實踐中要樹立“超純”觀念，養成嚴格的工藝衛生操作習慣，注意操作者、操作環境及設備材料等方面對產品的污染和影響，多晶硅生產對設備潔凈度要求很高，油、氯離子、氧化物或粉塵的介入將嚴重影響多晶硅的質量，造成其反應速度減慢，產量降低，甚至硅反應停止。水和其他溶液在設備表面殘留的氯離子、氧化物、灰塵其他雜質、污垢的存在，也會影響多晶硅的生產。因此多晶硅設備要嚴格做好脫脂、酸洗、純水沖洗和干燥等工作。此外，生產過程中，設備材質缺陷或運行維護失當，易造成設備腐蝕或滲漏，期間也會引入大量的重金屬雜質或油脂，引起二次污染，因此有必要加強設備運行維護和管理。

2.5 強化精餾效果

在工業生產中，原料的提純是提高產品純度的關鍵手段，精餾法是化學提純領域的重點，如何提高精餾效果和改進精餾設備，是精餾提純需要深入研究的問題，加壓精餾、固體吸附等化學提純方法是近年來產生的新方式。在改進精餾設備方面，為強化汽、液傳熱、傳質的效果，可以采用高效率的塔板結構如浮動塔板，柱孔式塔板的精餾塔等。為了減少設備材質對產品的玷污，可采用含鉬低磷不銹鋼塔內壁噴涂或內襯F4～6及氟塑料材質，可以提高產品質量。

2.6 提高質檢工作人員業務素質和質量意識，嚴把質量關

新形勢下的生產對質檢工作提出了更為嚴格的要求，因此應樹立質量意識，摒棄傳統的事后檢驗模式，從原材料入手，注重生產過程的質量控制，找出可能導致不良品的諸多因素進行監督和處理，健全組織機構，擴大質量控制范圍，加強生產現場的質量控制。質量監督人員要深入現場，嚴把質量關，對生產全過程進行全方位的超前質量控制。另外加強質量教育和培訓工作，切實提高生產和質量人員的業務素質，從思想轉變入手，狠抓質量宣傳，提高全員質量意識，激發員工的工作積極性和主動性。

多晶硅產品質量的高低直接影響企業的競爭力，提高改良西門子法生產多晶硅產品的質量，是這個行業共同關注的焦點問題。多晶硅生產是一個系統工程，因此應從生產的各個環節入手，分析質量影響的關鍵因素，嚴格規范作業，從而提高多晶硅生產水平和質量。

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