多晶硅小料干燥技術及設備研究

段成龍 薛書亮 張博

【摘 要】本文針對多晶硅小料堆積難以快速干燥這一制約行業(yè)發(fā)展的難點，創(chuàng)造性提出一種熱風循環(huán)干燥冷風冷卻的解決方案，并行設備研制投入行業(yè)生產實踐應用，經實際檢驗完全滿足行業(yè)需求效果顯著。

【關鍵詞】多晶硅;小料;干燥;冷卻

1 前言

多晶硅是現代泛半導體行業(yè)的基礎性材料，在基礎能源行業(yè)，太陽能光伏發(fā)電裝機容量不斷攀升，碳中和碳交易市場已在國內國際已達成共識，這對太陽能級多晶硅有巨大需求量。在萬物互聯(lián)的社會發(fā)展趨勢下，作為現代工業(yè)基石的半導體芯片行業(yè)獲得了長足發(fā)展，其中對電子級高純多晶硅的需求量與日俱增。

其中在多晶硅的生產過程中，為保證硅料表面清潔無雜質，降低產品表金屬含量需要進行多次清洗（圖1），同時為避免多次清洗后除雜合格的硅料在空氣中暴露時間過長造成二次污染，必須進行快速包裝，這對密封包裝前的干燥環(huán)節(jié)提出了更高要求。本文將就多晶硅小料干燥技術及設備研制進行詳細論述。

2 小料干燥特點分析

在多晶硅行業(yè)，小料能降低拉制晶棒的成本從而受到越來越多行業(yè)內多晶硅生產企業(yè)的重視。同時由于經破碎、清洗后小料堆積的致密性比大料要大的多，因此導致堆積后處于中間位置的硅料非常難干燥。傳統(tǒng)的微波紅外加熱方法，需將硅料加熱至200℃以上，這對設備工裝及廠務環(huán)境帶來了耐高溫難題和增加廠務成本，同時硅料冷卻也需要更長時間，嚴重影響產能。

本文針對小料堆積密、實穿透性差的特點，創(chuàng)造性提出采用熱風壓力進入堆積小料之間的縫隙從而對堆積小料進行均勻加熱，同時采用冷風壓力進入堆料縫隙之間快速帶走水汽并迅速降溫，這樣極大的提高了干燥效果和效率，方便后續(xù)快速密封包裝。同時，依托該技術已進行設備（見圖2）研發(fā)并投入實際生產。其中最關鍵的為干燥冷卻槽體的整體結構設計及風道布局。

3 干燥冷卻槽體結構

由上文可知，依據堆積小料特點有針對性的采用熱風干燥、冷風冷卻的處理方法，其中關鍵槽體具體設計介紹如下。

3.1 熱風干燥槽體

熱風干燥槽體工作時需持續(xù)保持內部高溫，同時從節(jié)能減排角度考慮，一次加熱后續(xù)保溫，整體結構采用快速熱風循環(huán)干燥設計，具體設計（圖3）如下。

熱風循環(huán)槽是用于快速烘干硅料的專業(yè)設備，通過溫度控制系統(tǒng)對槽體快速高溫加熱、快速熱風循環(huán)達到快速烘干的要求。如上圖3所示，開機經預熱后熱風在風道內循環(huán)干燥，針對小料堆積密實難以干燥的特點，采取熱風經風機加壓從小料料框右下部進入同時出風口設置在對應左上位置，強制熱風完全穿透堆積小料提高干燥效果。

整體結構設計包括工作槽、熱風循環(huán)風管、加熱系統(tǒng)、風道循環(huán)系統(tǒng)以及整體電控系統(tǒng)等組成。

3.2 冷風冷卻槽體

冷風冷卻槽體工作時需快速冷卻硅料同時帶走殘余水汽，是硅料包裝出廠前的最后一步，十分重要。據此進行槽體結構設計如下圖4。

冷風槽為實現冷卻效果需不斷從室內引入新鮮氣體作為介質進行冷卻，穿過堆積小料后的介質可直接從槽體上部排入廠房或者根據需要將其引入廠務排風系統(tǒng)統(tǒng)一排出。

如上圖4，整體結構設計包括工作槽、循環(huán)風管、冷卻盤管、風機、料渣接盤、過濾網等。冷卻盤管通入廠務循環(huán)冷卻水，根據客戶客戶需要可增加快速干燥效果。另外在料框槽體出風口處設置鉑電阻溫度檢測探頭，當穿過堆積小料冷風溫度明顯降低時說明已達到冷卻效果，通過溫控器設定該值進行判斷提示，該批次堆積小料已完成冷卻干燥可進行密封包裝。

4 結論

本文針對多晶硅小料干燥技術難點，成功研制一種干燥冷卻設備，并已投入實際生產，取得了良好的使用效果。另外，從多晶硅生產企業(yè)考慮，可利用其它生產環(huán)節(jié)廠務熱能進行能源二次利用引入干燥裝置，降低企業(yè)成本，實現環(huán)保節(jié)能。

參考文獻：

[1]安生虎，陳叮琳. 淺談電子級多晶硅的清洗工藝[J]. 智能城市，2019，005（023）：P.126-127.

[2]藺琎，彭金輝，郭勝惠，等. 微波技術在多晶硅制備過程中應用研究[C]// 第十七屆全國微波能應用學術會議. 中國電子學會，2015.

[3]吳新正，鄧湘云，李建保，等. 干燥制度對石英砂制高硅陶瓷坯體性能影響的研究[J]. 絕緣材料，2010，43（004）：56-59.

[4]馬瑾. 太陽能級硅料的污染雜質及清洗技術淺談[J]. 太陽能，2016（3）：72-73.