多晶硅的質量控制

李海龍

新特能源股份有限公司

多晶硅的質量控制

李海龍

新特能源股份有限公司

在多晶硅生產過程中諸多因素影響了最終產品的質量，為了更好地控制好產品的質量，本文論述了影響多晶硅質量的因素，其中著重對多晶硅生產中的高純氫氣、精餾工序、還原工序等幾方面對多晶硅質量產生的影響進行了探討并分析其產生的原因。在文中結合多晶硅生產實際提出了相應的控制措施，以便為相關從業者提供參考。

多晶硅；質量；控制

引言

隨著石油、煤炭等傳統不可再生能源日益短缺及地球環境的威脅，可再生能源之一的光伏產業受到越來越多人的重視和關注，在未來一段時間發展迅猛。多晶硅作為半導體集成電路和太陽能行業的原材料，可用來生產光敏電阻、晶體管等電子器件和硅太陽電池產品，是跨電子、化工、冶金等多個學科及領域的高科技產品。

1、氫氣制備環節對多晶硅質量的影響及控制

電解含有KOH水溶液制備的氫氣通過純化處理后輸送至還原爐、流化床等環節中，從而達到生產多晶硅的具體需求，保障整個生產工序的順利實施。

研究指出，氫氣純度會在一定程度上影響產品的最終質量，在還原爐內實施還原操作時，如果氫氣中混有一定的氧氣或水分，會引發三氯氫硅水解或者氧化反應，將會導致SiO2氧化層在硅棒上附著。如果遭受氧化的硅棒表層繼續沉積硅，會逐漸形成氧化夾層，即使采用酸洗也不能去除。為避免生產多晶硅時出現氧化夾層，必須嚴格控制整個制氫工序，確保氫氣產品中的氧氣和水達到標準要求。

2、精餾工序對產品質量的影響及控制

精餾工序是對合成氯硅烷、外購氯硅烷、尾氣回收的氯硅烷進行連續精餾。因粗三氯氫硅中含有氯硅烷混合物硼、磷、碳、鋁、銅等化合物，特別是其中的硼磷等化合物分離難度比較大。主要原因是硼磷化合物的揮發度與三氯氫硅接近，分離系數接近于1。因此對粗三氯氫硅需用多臺精餾塔進行連續精餾才能得到純的三氯氫硅產品。精餾工序是關系到產品質量至關重要的環節。在精餾塔操作中要從四個方面加以控制：控制系統壓力；控制系統溫度；控制回流比；控制物料平衡。其中當系統壓力不穩定時，會造成每塊塔板上的氣液平衡組成發生改變。對于系統的溫度控制是衡量產品質量的間接標準。當塔壓改變時，混合物的泡點和露點都將發生變化，引起塔內溫度的改變。在加壓精餾塔的操作，頂壓是由頂溫、塔頂料液組成。不凝性氣含量高的塔與其化合物情況相近的塔，可適當降低溫度、選擇合適的回流比，達到物料平衡。同時在精餾塔開車前一定要對塔內進行干燥，停車時要充入氮氣，使塔內集保持正壓避免因塔內腐蝕而影響三氯氫硅質量。

3、還原工序對產品質量的影響及控制

還原工序是多晶硅生產至關重要的操作工序。還原工序出現問題將對多晶硅質量造成嚴重的損害。在還原車間影響產品質量的因素有許多，例如夾層問題、表面質量問題，其關系到進爐原料的配比與質量問題、保安氮氣問題、硅芯問題、還原溫度的影響及設備清潔條件的影響等。

夾層問題分為氧化夾層與溫度夾層。氧化夾層是原料中混有水氣或氧時，多晶硅棒就會發生水解及氧化形成一層二氧化硅附著在其上，被氧化的硅棒上繼續沉積硅時，就形成了氧化夾層，其危害是在多晶硅拉制單晶硅時會產生“硅跳”現象。溫度夾層是在較低溫度下進行還原反應時，沉積的硅為無定形硅，如果提高反應繼續沉積就會形成暗褐色的無定形夾層，這種夾層稱為溫度夾層。在該夾層中常有許多氣泡和雜質，在拉制單晶硅前用酸無法除去，拉制單晶料時，輕者使熔硅液面波動，重者產生“硅跳”。

由于還原中的溫度效應與擴散效應會使多晶硅產生“菜花料”等質量問題。預防措施為選用氣場設計合理的還原爐以及設計合理的噴嘴，提高汽化系統與還原爐壓差，使氣流能到達硅棒的項部；控制溫度不能過高，一定要控制平穩，如表面有爆米花狀時，可在沉積后期適當降低沉積溫度，加大氫氣配比，使表面漸漸修復。

還原的反應原料為氫氣與三氯氫硅，如果氫氣中混有水氣與氧時會使多晶硅生產過界產生夾層，而三氯氫硅混有雜質則會影響產品的最終質量，因此要達到兩者純度的要求。對于氫氣與三氯氫硅的反應配比，選擇合適的配比使之既有利于提高轉化率，又有利于抑制硼磷的析出，目前，一般選擇配比為5：1。

保安氮氣在還原爐的置換過程中會大面積與三氯氫硅和氫氣接觸。氮氣的露點、氧含量將極大影響產品的質量。因此要控制好氮氣指標，達標后才可使用。

硅芯質量的好壞直接影響多晶硅的質量，如果硅芯清洗、密封不好或者未烘干，都會使多晶硅表面被氧化而使多晶硅產生氧化夾層。如果硅芯拉制、切割不好有孔洞將使硅芯融化而產生倒棒，影響產品質量。所以要保證硅芯在送入還原爐之前不含水份。

還原的反應溫度對整個反應起著決定性的作用。反應溫度太高會使產品質量下降，硼磷雜質增加；溫度太低又會形成無定形硅；甚至溫度控制不好也會產生溫度夾層等。所以在還原反應過程中，一定要控制溫度的穩定，一般的反應溫度控制在900～1100℃。

除了以上各方面的影響之外，拆裝爐潔凈廠房的控制、設備的清理潔凈程度也影響到產品的質量。還原爐爐筒裝爐之前要用無塵布布沾酒精擦洗各部件，并作好清潔干燥后才可使用。

結束語

綜上所述，多晶硅是一個新興且具有巨大發展潛力的行業，改良西門子法則是多數廠家生產多晶硅產品最常用的方式之一，這種生產方式能保障整個生產流程處于閉路循環生產狀態，提升多晶硅生產效率和質量。

[1]李沐益.連鑄工藝制備多晶硅的熱—流模擬[D].大連理工大學，2015.

[2]宗芳.基于CFD的流態化多晶硅CVD過程研究[D].青島科技大學，2015.

[3]劉秀瓊.晶體硅太陽電池硅片質量控制[J].邢臺職業技術學院學報，2015，01：68-69+78.

[4]張園園，付雷，楚東旭，曹俊英，饒學勤.計數抽樣在多晶硅外觀質量檢驗中的應用[J].現代測量與實驗室管理，2015，05：43-45+12.