電子級多晶硅生產技術分析

張洪斌，閆 濤，李鵬飛，賈雪鶴

（內蒙古永安安全科技有限公司，內蒙古呼和浩特 010000）

集成電路是信息產業發展的基礎內容，也是我國戰略發展的支柱性產業，對我國新經濟常態發展具有重要的推動作用。隨著我國集成電路的發展，市場規模不斷擴大，但是產業的自助供給率卻比較低，尚未達到30%，不利于國民經濟的發展，因此必須要推動集成電路產業的發展。當前集成電路以及半導體的發展中，多晶硅已經成為主要的原料內容，半導體器件以及集成電路等都是以硅材料為主要的原料。光伏行業發展中也以多晶硅為主要材料，當前電子級多晶硅已經成為集成電路產業發展中的上游產業內容，產品純度也已經達到人類技術水平的極限，對生產制造技術的要求高。但是從高端電子級多晶硅的發展情況來看，企業的規模化發展仍然無法滿足要求，仍然需要進一步進行探究。

1 電子級多晶硅技術發展水平

從當前國際上電子級多晶硅生產技術發展情況來看，生產工藝主要包括硅烷法、流化床、改良西門子等工藝流程。其中流化床工藝法主要是對產品雜質進行全面控制，因此無法生產優質的電子級多晶硅；改良西門子工藝采用的為三氯氫硅的生產模式，通過還原爐的化學氣相沉積實現多晶硅的生產，這也是我國多晶硅生產的主要工藝形式。但是在生產過程中多晶硅產品質量控制仍然存在很多不足，當前我國在電子級多晶硅的核心技術檢測中尚未完全掌握西門子法核心技術。同時硅烷生產工藝主要應用在直拉單屏以及區熔單屏的生產和制造中，以高純度硅烷作為主要生產原料，產生的多晶硅純度能夠達到11N，是高端電子級多晶硅生產的重要內容。

我國當前電子級多晶硅的生產企業數量較多，其中河南省硅烷生產數量和效率都比較高，在生產電子級多晶硅的過程中以硅烷CVD工藝法為基礎，該工藝生產的產品具有質量高、性能低等特點，能夠滿足國家的環保需要。該工藝技能的應用中，主要以低能耗的CVD熱解技術和工藝為主，能夠降低生產中的能源消耗，采用的設備以冷卻夾套的儀器為主。多晶硅的生產能夠對爐內熱場進行分布和控制，防止無定形硅的分解，盡可能保證金屬雜質含量能夠滿足標準。此外，通過該工藝的應用進行布氣也是一種比較先進的技術形式，有利于對硅烷流的分布形式進行改善，防止對電極多晶硅生產質量的影響，因此我國多晶硅生產中以改良西門子法工藝為主要技術形式。

2 電子級多晶硅生產的質量因素

2.1 硅粉品質的影響

三氯氫硅的生產過程中以冷氫化工藝為主，其中硅粉的影響作用比較大，硅粉質量指標對生產運行效率以及產品質量的控制中都具有重要作用。通過大量生產實踐研究發現，硅粉質量中硅粉的顆粒規格與硅粉轉化以及生產運行的影響作用比較大。硅粉成分中的鋁金屬含量過高會導致設備的空隙被堵塞，影響生產效率和質量。因此需要加強對硅粉質量指標的調整，將硅粉力度控制在40到120目，鋁含量控制在0.1%以下。

2.2 精餾工序的影響

精餾工序中需要對合成的三氯氫硅進行提純，在還原生產中采用高純度的三氯氫硅進行生產。精餾工序對多晶硅的質量控制尤為重要，磷、硼等金屬去雜質方面存在較大的難度，如果磷、硼含量無法進行控制也會使電阻率受到影響。因此需要加強對磷、硼工藝的優化。比如可以采用還原精餾、合成氯硅烷粗餾以及氫化精餾等方式進行設計。通過對回流比技術參數的調整，以及增加冷凝器等，對尾氣進行冷卻，冷凝后的氯硅烷可以作為副產品銷售。

2.3 尾氣回收工序的影響

尾氣回收效果也會影響多晶硅產品的生產質量，在尾氣回收中氫氣的回收純度對產品質量的影響最大。生產中氫的回收，二氧化碳、一氧化碳以及甲烷等物質含量過多都會影響碳的含量，其中甲烷的影響作用最大。總體來說，氫氣純度影響中主要是碳含量的影響。雜質過多會影響電阻率，氯化氫含量高則會導致硅棒、硅芯等發生腐蝕。如果回收氫中氯化氫的含量過大，超過0.5%的情況下會明顯降低多晶硅的電阻率。還需要加強對回收氫中水分的控制，防止水分過多導致多晶硅中出現氧夾層，使電學性能受到影響。因此加強尾氣中氫的提純尤為重要。

2.4 還原工序的影響

多晶硅生產中還原工序是一項比較重要的生產環節，也是對質量等級控制影響比較大的一環。電子級多晶硅生產工序中的影響因素較多，化學沉積中任何環節都可能會對產品質量產生影響，必須要具有比較成熟的技術控制能力，使產品達到相應的等級。通過大量專家學者的研究發現，可以從沉積溫度、氣流速度以及反應摩爾比等方面進行研究。還原工序的運行直接影響產品產量和等級，同時反應溫度、壓力等也直接影響多晶硅的質量。因此必須要做好對溫度、壓力以及其他參數的控制。

3 電子級多晶硅的生產優勢分析

從我國電子級多晶硅的生產情況來看，大部分采用的都是硅烷CVD法以及改良西門子法，而且這兩種方法在我國的應用比較成熟。這些生產方式在電子級多晶硅的生產中具有如下優勢作用。

3.1 提升精餾控制水平

電子級多晶硅的生產中精餾裝置是一項比較重要的裝置設備，能夠對磷、硼、砷等微量雜質的過濾和分離，降低對多晶硅的影響。為了提升精餾效果，可以采用評價爐的方式對中間產品進行評價，并將達標產品在還原爐中進一步生產，使不達標產品重新進行蒸餾。通過對評價爐的微調和優化，我國的參數調控方法更有效，有利于對輕重組分雜質的定向分離，提升產品質量控制效果，降低產品雜質中硅烷的排 放量。

3.2 提升產品質量

經過多年的研究和努力，我國相關部門對電子級多晶硅技術不斷創新和改良，使電子級多晶硅的整體質量得到有效提升。特別是一些準入條件的執行，提升企業整體行業水平，同時管理部門能夠嚴格按照標準和要求對企業的生產情況進行監管，提升電子級多晶硅的生產質量。通過大量調查研究發現，我國當前大部分電子級多晶硅產品都已經達到一級指標規格，在國際產業中都處于領先地位。

3.3 低溫SiCl4轉化技術優勢

傳統電子級多晶硅的生產中CVD是主要的還原設備，每生產1t電子級多晶硅，往往會產生17～19t的SiCl4。但是下游市場對該副產品的需求量并不大，因此我國針對SiCl4到三氯氫硅的轉化始終處于搖擺的狀態，這也是導致我國電子級多晶硅生產質量難以控制的主要原因[5]。當前我國相關部門不斷探究SiCl4轉化技術，這是因為這種轉化技術具有非常多的優勢作用。該技術的轉化效率比較高，單程轉化可以達到26%左右；同時電耗比較低，每千克的轉化消耗不到0.85kW·h。相對于氫化法來說，在節能方面的效果更加明顯；同時設備的處理水平高，操作穩定，占地面積比較小，需要的投資不高，生產的最終產物對環境的污染小，具有環保性。

4 電子級多晶硅的關鍵工藝控制

4.1 原輔料的控制

原輔料的質量直接影響產品質量，因此在生產前需要做好對原輔料的控制工作。

（1）加強對備件的質量管理。對墊片、瓷環以及石墨夾頭等備件的雜質進行嚴格控制，因為這些配件需要進入還原爐中，如果雜質控制不合理將會影響后期生產質量。比如石墨夾頭的灰分需要控制在0.5%之內。同時生產中石墨加工過程容易被機械以及人工污染，為了降低污染需要對石墨進行氯化和純化處理。

（2）電子級多晶硅的生產中三氯氫硅是一種比較常見的關鍵性原料，通過對該物質的優化，能夠提升電子級多晶硅的質量。三氯氫硅來源于合成精餾料以及還原回收物料中。為了使電子級多晶硅順利生產，需要提升精餾塔的純度水平。如果企業生產廠房為新建廠房，在設計中需要考慮到三氯氫硅的處理需要，使電子級多晶硅的生產更高效，同時也能夠使吸附床的投用更合理；硅芯質量的控制，硅芯同樣是電子產品中的重要組成物質，在硅芯的生產中需要以區熔拉的方式為主，在進料前先進行高溫煅燒，將清潔后的硅芯裝入清潔的PE袋中，并對袋口進行密封處理[6]。一般情況下，電子級多晶硅產品生產中硅芯的電阻率需要達到100Ω/cm的規格。隨著硅芯品質的提升，擊穿難度加大。通過當前現有研究情況來看，建議嘗試采用高壓啟動擊穿技術。同時也可以先對硅芯進行加熱，然后采用高壓的方式進行啟動。通過對溫度-電阻率曲線的觀察可知，如果溫度超過200℃，硅芯的電阻率會下降100Ω/cm，高壓擊穿的難度會隨之降低。

（3）氮氣、氫氣等物質的控制，氮氣的分離方式為空氣分離方式，有利于對相應指標的控制。對于一些高純度的氮氣具體的質量要求可以通過以下方式進行，露點不得超過-68℃，含氧量以及總碳含量不得超過0.1%。氫氣主要應用在還原爐中，為了獲得純度更高的氫氣，當前都會采用電解水的方式進行氫氣制取。還原后氫氣的回收中雜質會比較多，不符合電子級多晶硅的生產標準。因此需要增加凈化設備的處理效果，生產氫氣的標準控制要求為露點不得高于零下70℃，同時含氧量不得超過0.1%。

4.2 工藝硬件生產的控制

電子級多晶硅生產過程中對工藝硬件的要求比較高，因此在工藝生產中需要保證廠房的潔凈，特別是還原區域和設備必須要始終保持潔凈的工作狀態，提升廠房的清潔度。同時還原爐作為生產中的重要設備，各方面的規格也需要保證符合生產要求。當前大部分企業應用的還原爐，內壁采用的都是不銹鋼材質，為了使高溫狀態下硅棒不被污染，需要嘗試利用復合材料對不銹鋼板材進行替代。抽真空系統是還原爐應用的輔助設備，通過抽真空系統的應用能夠極大提升氮氣的置換率，有效減少氮氣的用量，實現成本的有效控制。

4.3 生產項目還原工藝控制

電子級多晶硅生產中，應用的還原爐一般比較大，在進料中需要合理控制氫氣與三氯氫硅的摩爾比，最適宜的比例為5∶1到7∶1。在還原工藝中需要結合生產爐型以及摩爾比等內容通過小流量進行控制。在電流曲線的控制中需要結合爐型、流量以及摩爾比進行確定。電子級多晶硅的生產中，時間比較長需要做好規劃管理。

4.4 其他關鍵工藝控制

企業需要加強對各項工序的管理，包括尾氣、精餾、還原以及氫化等工序內容，同時產品生產中生產工藝的穩定性直接影響產品終極質量。在硅棒的取出時需要做好整個環節的控制，防止硅棒出爐導致包裝受到污染。

還需要及時進行基盤以及爐筒等設備的清潔和管理，可以通過吸塵器等對基盤上的顆粒進行清理。硅棒出爐后，要對基盤的表面進行覆蓋，并利用氮氣對基盤進行干燥處理。企業還需要積極組織操作人員定期培訓，使操作人員能夠更好地完成精細化生產和操作，并對日常工作行為進行規范。此外，做好防護作用，使硬件設施得到有效落實，在規章制度以及硬件設施等方面的管理下降低員工操作的失誤率。

4.5 做好電流和電壓最佳配合參數

硅烷反應中主要以氫氣為主要的載流氣體，因此對氫氣的純度要求也比較高，同時需求量大。為了提升電極多晶硅的生產質量，必須要注重對氫氣雜質的清除。要想實現這個目標需要等待硅烷完全分解后，再對進氣方式進行優化，形成一種帶有冷卻夾套布氣形式，有利于在硅棒周圍形成均勻的氣流，使硅烷停留時間更均勻，同時確定硅烷氣相和流場分布的標準和規范，有效預防氣流返混，使產品的橢圓度和均勻度得到有效保障，達到電子級多晶硅生產標準和要求。

4.6 合理控制無定形硅的產出

反應設備指的是一種新型的反應爐形式，有利于保證還原爐熱場分布的均勻性，并實現對進氣速率、硅烷濃度以及布氣方式等方面的控制，預防無定形硅的產出，解決電子級多晶硅生產中金屬雜質含量過多的問題。硅烷分解中溫度一般比較低，需要爐內溫度在300℃以上才可以進行分解，同時分解中主要是通過氣相成核與表面反應形成。其中氣相成核抑制為關鍵技術模式，通過新型反應器中冷卻夾套的應用，可以將還原爐劃分為高溫與低溫兩個場次，其中高溫場設置在硅棒的周圍，有利于硅烷形成。低溫場則主要設置在夾套外部的氣相位置，有利于對硅烷的分解形成抑制作用。通過夾套的應用促進電子級多晶硅產品生產效率與質量的提升。

5 結束語

隨著我國電子工業的快速發展，電極多晶硅的需求量不斷提升，為生產企業發展帶來一定的發展概率，同時也帶來一定的挑戰和壓力。為了能夠在激烈的市場競爭中獲得一席之地，必須要加強對生產技術和工藝的優化、創新。并借鑒國內外的生產經驗，提升電子級多晶硅的產量和質量，為我國電子產業發展奠定基礎，同時也促進我國綜合國力的提升。