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(chǎn)過程中諸多因素影響了最終產(chǎn)品的質量，為了更好地控制好產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的影響進行了探討并分析其產(chǎn)生的原因。在文中結合多晶硅生產(chǎn)實際提出了相應的控制措施，以便為相關從業(yè)者提供參考。

多晶硅；質量；控制

引言

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

1、氫氣制備環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)中，從而達到生產(chǎn)多晶硅的具體需求，保障整個生產(chǎn)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(chǎn)品的最終質量，在還原爐內(nèi)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(fā)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(xù)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(chǎn)多晶硅時出現(xiàn)氧化夾層，必須嚴格控制整個制氫工序，確保氫氣產(chǎn)品中的氧氣和水達到標準要求。

2、精餾工序對產(chǎn)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(xù)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(fā)度與三氯氫硅接近，分離系數(shù)接近于1。因此對粗三氯氫硅需用多臺精餾塔進行連續(xù)精餾才能得到純的三氯氫硅產(chǎn)品。精餾工序是關系到產(chǎn)品質量至關重要的環(huán)節(jié)。在精餾塔操作中要從四個方面加以控制：控制系統(tǒng)壓力；控制系統(tǒng)溫度；控制回流比；控制物料平衡。其中當系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定時，會造成每塊塔板上的氣液平衡組成發(fā)生改變。對于系統(tǒng)的溫度控制是衡量產(chǎn)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(fā)生變化，引起塔內(nèi)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(nèi)進行干燥，停車時要充入氮氣，使塔內(nèi)集保持正壓避免因塔內(nèi)腐蝕而影響三氯氫硅質量。

3、還原工序對產(chǎn)品質量的影響及控制

還原工序是多晶硅生產(chǎn)至關重要的操作工序。還原工序出現(xiàn)問題將對多晶硅質量造成嚴重的損害。在還原車間影響產(chǎn)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(fā)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(xù)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(chǎn)生“硅跳”現(xiàn)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(xù)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(chǎn)生“硅跳”。

由于還原中的溫度效應與擴散效應會使多晶硅產(chǎn)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(tǒng)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(wěn)，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(chǎn)過界產(chǎn)生夾層，而三氯氫硅混有雜質則會影響產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生倒棒，影響產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(wěn)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(chǎn)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(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)，改良西門子法則是多數(shù)廠家生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)品最常用的方式之一，這種生產(chǎn)方式能保障整個生產(chǎn)流程處于閉路循環(huán)生產(chǎn)狀態(tài)，提升多晶硅生產(chǎn)效率和質量。

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