高純多晶硅清洗系統設計與實現

段成龍 張博 薛書亮

【摘 ?要】高純多晶硅生產的數量與品質直接影響下游需求。本文通過分析多晶硅生產過程中引入的污染物，以及分析去除各污染物的工藝需求，并按工藝需求設計了全自動高純多晶硅清洗系統，最后介紹了實現高純多晶硅清洗工藝的關鍵設備。

【關鍵詞】高純多晶硅;多晶硅清洗;全自動清洗設備

Key ?words：High purity polysilicon，Polysilicon cleaning，Automatic cleaning equipment;

高純多晶硅是太陽能光伏產業的一種重要原料，隨著光伏產業蓬勃發展，高純多晶硅的需求量逐年增長。由于市場對高純多晶硅的產量需求增加，以及產品性能要求的提升，一般的人工清洗很難滿足生產計劃，并且人工清洗不僅產量低，人員勞動強度大，而且對操作人員的傷害很大[1]。為了滿足光伏行業發展，滿足市場對高純多晶硅產量及性能的需求，一款具備清洗功能的全自動設備是高純多晶硅生產過程中所必不可少的工具。本文介紹一套適用于高純多晶硅生產的全自動清洗系統。

1.高純多晶硅清洗

1.1高純多晶硅清洗目的

表金屬雜質含量是高純多晶硅一項重要指標，雜質金屬主要有鐵、銅、鎳、鉻、鋅、鈉、鉀、鋁，一般引用酸浸取-電感耦合等離子質譜儀測定多晶硅表面金屬雜質含量[2]。高純多晶硅清洗的目的是使硅料表面清潔無雜質，達到控制產品表金屬含量的效果，影響產品最終的性能、效率及穩定性。

1.2高純多晶硅污染分析

由于環境、工藝條件、設備及人為因素的影響，在多晶硅生長，出爐、運輸、加工、包裝等過程中，不可避免的會引入不同種類的雜質，主要分為以下三類[3]：

（1）顆粒：無定形硅、灰塵等，造成表金屬雜志含量超標。

（2）有機污染物：如油脂、汗漬及系統的潤滑油[4];

（3）金屬污染物：如鐵、銅、鎳等，這些金屬污染物是由于設備因素或人為操作因素造成。

1.3高純多晶硅清洗工藝·

在硅料破碎、運輸處理過程中形成的污染物，如表面的有機污染物或者氧化膜使用常規清洗時無法去除的，一般先去除表面有機物，再處理氧化膜，最后采用清洗、鈍化方式去除顆粒污染物、金屬污染物。主要采用濕法化學方式，主要有采用硅料堿洗與硅料酸洗配合完成，酸洗為主，堿性配合，表金屬處理工藝中酸洗時最常用的技術。

通過對高純多晶硅制備過程中所引入的污染物去除方法分析，可以得出如下清洗工藝：

2.高純多晶硅清洗系統設計

2.1排風單元

清洗設備在工藝處理過程中會產生廢氣HF、NO、NO2、SiF4，這些廢氣通過設備排風系統排出，并且設備其他區域與清洗處理區需要設計物理隔離，避免廢氣影響設備其他功能。清洗設備在工藝處理過程中會產生大量水氣，需要及時通過排風系統排出，以免影響產品質量。設備的排風由引風窗和排風口組成，引風窗位于槽體兩側，風量可調節，可以調節設備內部與廠務之間的風壓壓差，風道內安裝風壓檢測，可以監控風量大小。如下圖所示。

2.2自動傳輸單元

為減少人工干預，清洗設備必須設計一套自動傳輸系統，包括自動上下料的傳輸、隔離區之間水中傳輸、料籃在工位間的機械手傳輸。機械臂系統由傳動導軌、齒輪齒條、滾軸絲杠、平移及提升伺服驅動系統、機械臂系統及檢測系統、拖鏈等組成。掛鉤采用不銹鋼骨架，外包PVDF密封板。

2.3清洗單元

工藝清洗系統主要由混酸清洗槽、純水漂洗槽、漂洗潛送槽、超聲春水漂洗槽、熱水清洗槽、氮氣切水槽、烘干槽、冷卻槽等組成。設備機構布局如下圖所示。

混酸清洗槽：槽體結構為循環制冷槽，可以實現冷卻、鼓泡、循環功能。槽上口兩側設置強排風，對反應形成的酸霧及時抽走，確保腐蝕過程產生的酸廢氣不會擴散至其它工段。

純水漂洗槽：槽體結構為NPP溢流槽，可以實現噴淋、漂洗、快排功能處理溶液為DIW。

純水潛送槽：NPP材料加工而成，潛送至下工序中間位，水下橫移（鏈條輸送）。

超聲漂洗槽：NPP材料加工而成，可以實現超聲、溢流、循環功能，超聲組件頻率不低于30kHz。

3.結語

本文通過分析高純多晶硅清洗的目的、污染物的種類以及污染物的去除工藝，設計了一套能夠滿足生產效率與品質的全自動高純多晶硅清洗設備，介紹了設備各重要組成部分的結構設計與實現。全自動高純多晶硅清洗設備結構設計合理，運行穩定，極大的減少了人工干預，提高生產效率，確保產品的質量，隨著設備應用的不斷升級，應用前景更加廣闊。

參考文獻：

[1]李陽.硅料清洗設備控制系統設計與實施[D].華東理工大學，2013.

[2]于躍，高召帥，吳鋒.影響電子級多晶硅清洗質量的相關因素[J].中國設備工程，2019（15）：181-183.

[3]蔡愛梅.多晶硅清洗工藝的優化[D].天津：天津大學，2017.

[4]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，V.5（23）：126-127.