電子級多晶硅金屬雜質來源探討

高召帥，于 躍，謝世鵬，厲忠海，王 培

(江蘇鑫華半導體材料科技有限公司，保利協鑫旗下，江蘇 徐州 221004)

電子級多晶硅是國家發展集成電路產業的基礎原材料，是《國家集成電路產業發展推進綱要》確定的發展重點之一。其生產技術和市場一直被國外企業所壟斷，嚴重制約了我國集成電路產業發展，并已經影響到國家戰略安全，為了打破國外壟斷，維護產業的健康、完全、穩定發展，發展我國高品質電子級多晶硅迫在眉睫[1-2]。我國半導體行業市場目前位居全球第一、增速也位居全球第一，但我國集成電路產業與先進產業國之間的差距較大，僅從最上游電子級多晶硅原料來講，主要體現在我國電子級多晶硅產品質量純度還不及國外電子級多晶硅企業。隨著中國集成電路產業規模保持高速增長態勢，年均復合增長率為17.6%，遠高于全球半導體市場4.3%的增長率。隨著國內新建工廠主要為12英寸硅片廠大批新建Fab廠和硅片廠的逐漸投產，國內對高品質電子級多晶硅的市場需求也在不斷提高，所以自主自產高純電子級多晶硅刻不容緩。

電子級多晶硅體表金屬主要指的是Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K等元素，國標電子級一級品基體體金屬雜質含量(質量分數)要求小于1×10-9，電子級多晶硅國標1級品的表面金屬雜質含量要求小于5.5×10-9，而國際先進電子級多晶硅生產企業對其金屬雜質含量控制的更低。電子級多晶硅主體工藝模型與改良西門子法工藝相似，但其在細節上存在很大差異，完全按照化工生產模式運行則不可能產出高品質的產品，需要有接近半導體行業的生產理念、管理模式，才能產出合格產品[3-5]。體金屬雜質含量的引入源一般處于精餾、尾氣回收及還原氣相沉積過程，而表金屬雜質含量的引入源主要來自于還原停爐至后處理環節。目前關于電子級多晶硅體表金屬雜質引入源報道的相關文獻較少，可借鑒的經驗匱乏，所以本文主要對影響電子級多晶硅體表金屬相關因素進行探討，為電子級多晶硅行業發展提供寶貴意見。

1 電子級多晶硅體表金屬污染及分析

1.1 電子級多晶硅體金屬污染及分析

在電子級多晶硅生產過程中影響產品體金屬質量的環節主要在精餾、尾氣回收及還原氣相沉積生產工序。生產電子級多晶硅主要原料為高純三氯氫硅及高純氫氣，而精餾及尾氣回收系統作為提純高純三氯氫硅及高純氫氣重要工序，其原料金屬雜質含量直接影響最終產品體金屬雜質含量，而影響原料純度的引入源主要為精餾塔、換熱器、吸附塔、壓縮機、換熱器、管道、泵、閥等與物料直接接觸的生產設備[6-7]；在還原生產工序中，主要為還原爐、爐筒清洗機、石墨組件及各類與物料直接接觸設備等，其次，在化學氣相沉積過程中，采用硅芯的質量也是影響電子級多晶硅體金屬重要因素之一。針對如上影響體金屬的相關原因，需要在材料選材、設備制造過程、潔凈清洗及保養過程精心管控，避免設備材質及相關材料潔凈質量，尤其在設備安裝、管道焊接過程中一定要做好潔凈控制，避免施工過程引入污染。如下圖為電子級多晶硅簡易生產流程見圖1。

圖1 電子級多晶硅簡易生產流程

1.2 電子級多晶硅表面污染

電子級多晶硅表面污染主要是硅料表面灰塵、有機物及金屬顆粒的污染。從還原停爐后再到后處理破碎、篩分、清洗、打包每個過程中的人、機、料、法、環都是硅料表面產生污染的重要因素。

在還原工序，化學氣相沉積停爐后，當還原爐爐罩打開時，硅棒的表面則暴露在還原大廳的環境當中，此時環境中的金屬顆粒、灰塵及有機粒子將會附著在硅料表面上，同時在拆幫過程中由于夾持設施及裝運棒料的設施與硅料均會接觸產生污染。灰塵及有機粒子主要附著在硅料表面的最外層，而金屬顆粒如Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K等金屬原子在接觸硅料表面后，將會以一定的速度將擴散到硅料晶體內部，擴散到硅料表皮里具有一定的深度。圖2為具體硅料表面污染情況。

圖2 電子級多晶硅表面污染結構圖

從上圖可以看出，電子級多晶硅表面結構對各類粒子附著及擴散存在至關重要的影響，不同形狀的硅料表面附著顆粒物也存在一定差異，最上層硅料表面主要附著灰塵顆粒物及有機顆粒，在硅料里面有一定深度的顆粒則是金屬顆粒擴散結果導致的。當電子級多晶硅根據客戶要求破碎成不同尺寸的硅塊時，隨著硅塊的表面積的增加，也增家其表面雜質污染的含量。

2 電子級多晶硅表面污染源分析

為了減少電子級多晶硅的表面污染對最終產品質量的污染，需要對每個生產環節進行藝術般的管控，從工藝控制、人員因素、環境因素、材料特性、公用介質純度及控制方法等方面進行探討分析。

2.1 工藝控制

生產電子級多晶硅涉及的工藝技術與傳統改良西門子法存在一定的差異，最直觀的就是體現在硅料表面的致密度及紋理。在化學氣相沉積法生產電子級多晶硅時，三氯氫硅與氫氣的配比和硅棒的生長速率是影響硅料表面形態結構主要因素。其硅棒表面結構的粗糙度直接影響硅料表面積，暴露空氣中時，吸附的雜質含量則增多。所以合理的沉積速率及配比是首要考慮因素。

2.2 人員因素

人作為生產電子級多晶硅的污染源之一，是影響電子級多晶硅生產過程中最主要因素，作為K、Na主要引入源，在人員數量的控制方面則盡可能減少人員數量，提高智能化及自動化的控制水平，同時在人的衣著穿戴方式及人工標準作業上要建立統一規范，定期給予員工潔凈知識及理念培訓也是極為重要的。

2.3 環境因素

還原大廳及后處理破碎、篩分、清洗、包裝空間的潔凈等級直接影響硅料表金屬質量，根據產品等級設立相應的潔凈等級，通常設立萬級區、千級區、百級區等。同時，對于產出的電子級多晶硅的檢測環境更為重要，一般高純電子級多晶硅的體表金屬檢測線都×10-9或者×10-12級別，若檢測環境潔凈等過低則在檢測過程中，打開檢測樣品的瞬間就會被污染，很難檢測出產品的真實水平，所以生產電子級多晶硅的環境潔凈等級至少需要擁有半導體行業的潔凈理念。

2.4 材料特性

在硅棒從還原轉運至后處理環節中，過程中硅棒與轉運設施接觸材料的材質及夾持設施的材料材質，需要選擇高純度金屬雜質含量十分稀少的材料。在硅料破碎過程中所用的設備的材質及破碎錘材質及篩分板的材質直接與硅料接觸，需要注意避免直接與鋼鐵材質設備直接接觸，否則硅料表金屬中Fe、Cr、Ni等元素將增加。硅料在清洗環節中，其清洗設備槽體材質選用的材質也至關重要，價格較高的PVDF材質引入的污染較少，但也有采用PVC、PP等材質，根據其清洗工藝針對性選擇，不但能保證清洗質量，還能節約成本。

此外其他諸如潔凈手套、包裝袋、PE袋要選用潔凈等級高的材質，避免這類物資表面析出的金屬元素及有機元素被硅塊表面吸附導致污染。

2.5 公用介質純度

電子級多晶硅生產用公用介質一般有，高純氮氣、高純水、高純氬氣及潔凈空氣等，這些公用介質與硅料直接接觸，如硅料清洗用的高純水，干燥用的潔凈氮氣或者潔凈空氣，如果這類公用介質純度不高，直接導致硅料表面的二次污染，所以要在使用之前實時監測，符合質量要求才能使用。

2.4 控制方法

控制方法主要指的是在操作過程中要建立標準SOP操作規程，關鍵參數實施SPC管控，并形成OCAP反應及制成能力Cpk檢討機制，這樣對于每個步驟、每個動作、每項變動所帶來的污染都能有所追溯，及時觀測，查找原因并及時解決。這些常用于半導體行業的管理方法需要建立并實施。這對于管控產品質量起到重要作用。

3 結論

電子級多晶硅金屬雜質的來源不僅僅局限于上述所說，由于半導體行業中的晶圓生產用電子級多晶硅原料需求純度十分嚴格，就需要電子級多晶硅企業從設計、選材、監造、施工以及生產運行中各個環節都做到精心管控，不但要有堅固的潔凈理念，還要做到不放過任何一個細節的態度，這樣才能生產出高純電子級多晶硅。