多晶硅中氧化夾層的消除

孔營

摘 要：控制多晶硅生產各個環節的潔凈度，確保還原爐內氧含量和露點的合格，通過觀察電壓曲線的變化，判斷生長初期夾層的消除情況。

關鍵詞：潔凈度;夾層;電壓曲線

1、前言

在多晶硅生產中，氧化夾層是衡量多晶硅質量的一個重要指標。從實際生產情況來看， 目前由于氧化夾層所引起的質量問題占的比例較大，給企業帶來了一定損失，經濟成本大幅下降，由于硅棒氧化夾層在拉制單晶的過程中易引起“硅跳”，輕則放火花，重則毀壞加熱器是拉晶無法進行，因此氧化夾層成為衡量多晶硅質量的一個重要指標，深層次、全方位地探討多晶硅在生長期間形成氧化夾層的機理，提出從根本上消除氧化夾層的解決措施就顯得尤為重，經過實驗可達到夾層率為零。

2、夾層的產生

2.1 由于硅芯表面污染而造成的夾層。a）硅芯表面的氧化層未腐蝕干凈。b）裝爐時沒按照潔凈要求安裝，硅芯受到污染：手指印痕、顆粒粉塵、汗漬等。

2.2 還原爐內存有水分，通料時產生夾層。a）還原爐內的氣體（氫氣或是氮氣）或多晶硅正常生長時所需的氫氣露點與含氧量超標，在正常反應的溫度（1080°C）時，硅易氧化或是三氯氫硅水解形成夾層;b）石墨卡座在空氣中暴露時間過長，尤其是夏季，空氣濕度較大，碳有較強的吸附性，石墨卡座受潮后重復利用，還原爐啟動后形成夾層。c）由于夾套水法蘭、視孔水的活接頭與還原爐底盤在同一水平線上，拆爐時，存留的水容易濺到底盤上，滲到爐筒墊圈下面，墊圈下的水將墊圈整體浮起，很難被發現。罩爐筒時，水被擠壓出來，爐內會產生一圈水跡，啟爐后與三氯氫硅反應，生成水解物，產生夾層。d）硅芯安裝完畢吊爐筒時，視孔冷卻水有滴在底盤上的現象，進料后生成水解物，產生夾層。e）爐筒清洗和干燥不徹底，通爐筒水時水份極易從爐壁揮發，致使硅芯上附著水分。通料時形成氧化夾層。

2.3 閥門內漏引起夾層。a） 離還原爐最近的三氯氫硅物料手閥內漏，停爐時調節閥和手閥之間有余壓，內漏出的料液囤積在管道里，拆爐后與空氣接觸，受到污染，進料時硅芯上沉積黑色污物。b） 調節閥卡澀，DCS閥位與現場閥位不符。進料時，手閥剛打開，大量的物料進入還原爐。

2.4 停爐時間過長，管道積液多。一臺汽化器對應4-5臺還原爐，其中一臺停爐時，汽化器繼續運轉，存留在進料管線的料液會越來越多，三氯氫硅的沸點38度，實際進料的液體溫度（冬季）只有3度，導致硅芯表面溫度驟降形成夾層。

2.5 進料爐溫控制過低。還原爐啟動后，硅棒電流過小，硅棒表面溫度過低，硅芯表面未達到熔融狀態，進料后形成溫度夾層。

2.6 進料時電壓波動大。 電壓在進料時出現明顯的升高，說明硅棒表面溫度出現了變化，下降過快，反應溫度的驟降導致了硅芯夾層的出現。

2.7 還原爐置換的方法、流程存在缺陷。目前的還原爐安裝完畢，開始扣鐘罩，連接上下進出水管，通入30度的脫鹽水進行排氣環節，在此過程中，鐘罩內的熱空氣沒有及時排出，導致熱空氣被冷凝，凝水附著在硅芯上，無法去除，氧化夾層由此產生。

3、消除多晶硅夾層的實驗方法

3.1確定安裝硅芯的要點。a）每爐次裝爐前要求清理電極、瓷環以及絕緣套周圈的縫隙;還原爐底盤墊圈下用無水乙醇脫水。安裝硅芯時，要注意避免與污物接觸：硅芯車的潔凈、小車扶手的潔凈、一次性手套的及時更換以及防護呼吸器的正確佩戴。b）每爐使用過的石墨件要求密封，與空氣隔絕。吊爐筒時，用絲扣將視孔水活接頭扣住，避免有水滴在底盤上。c）爐筒清洗時，始終保持氮氣吹掃視孔氫管線。d）爐筒吊開后立即給進氣管線通入氮氣，避免物料與空氣接觸。

3.2操作過程控制的要求。a）檢查伴熱管線的投用情況及溫度是否正常。b）對于內漏嚴重的尾氣管線，不進行抽真空。c）爐筒罩好后，先通入135度的爐筒夾套水循環5分鐘，再進行置換工作，增加抽真空的次數，目的是帶走爐壁上的少量水分。在置換氣密合格后，將爐內壓力降至0.15MPA，在爐筒水循環下靜致1.5小時，再用純氫置換。對于尾氣閥門內漏嚴重的要提高爐內壓到0.3MPA.d）確認DCS的閥位狀態與現場的保持一致;e）硅芯擊穿后，打開電解氫氣40—50m3/h，在1180-1220度以上空燒20-30分鐘后轉換回收氫氣，此時要保證爐內溫度不波動，注意觀察電壓曲線，要求電壓波動小于20v;f）回收氫空燒時間到后，再打開FV0403-1前手閥（FV0403-2手閥保持關閉），緩慢打開后手閥，如爐內發現明顯有料或電壓波動超過15v應立即關閉手閥補加電流，5分鐘后再緩慢打開手閥保證電壓波動小于20v（如電壓仍然較快上漲要立刻關閉手閥，待穩定后再重復以上步驟）.待FV0403-1手閥全開后，再緩慢打開FV0403-1，每次0.1%的速度開至5%，每開1%停頓2—3分鐘;在整個過程中，要及時補加電流，保證溫度變化平穩，注意觀察電壓變化，保證電壓波動小于20v;隨著物料的逐漸提升，電流要適當補給，維持電壓曲線呈逐漸下降的趨勢。g）進料后觀察硅芯表面若有附著物，立即停爐后，在拆爐前進行冷洗。

3.3還原爐置換的方法、流程的改進。為了避免熱空氣被冷凝，在鐘罩扣上后，及時通入氮氣打開放開管線，將空氣置換成干燥的氮氣，15分鐘后在通入冷卻水，這樣就可以避免氧化夾層的生成。

4、小結

（1）本次實驗和技術改造通過對三氯氫硅的物理和化學性質的特性，在裝拆還原爐環節以及進料環節來控制夾層的產生;

（2）通過還原反應中硅棒溫度的變化判斷PLC的電壓曲線是否正常，就是說，還原爐處于空燒階段，溫度的控制反應出正確的電壓曲線，來確定夾層是否在看不到的范圍產生;

（3）通過改變常規的置換流程，減少還原爐內的凝水的生成，確保爐內干燥，產生夾層的幾率會有所降低。