電子級多晶硅生產中硅芯雜質的來源

張才剛 俞朝 陳叮琳 李宏盼 李有斌(1.青海黃河水電公司新能源分公司，青海 西寧 810007；

2.青海省新能源材料與儲能技術重點實驗室，青海 西寧 810007)

0 引言

改良西門子CVD 法[1]是在還原爐內通入高純的三氯氫硅(TCS)和氫氣(H2)，使其通過化學氣相沉積反應將多晶硅沉積在熱載體上(即硅芯)，但在實際生產過程中，硅芯在制造過程中和在還原爐初期沉積過程中不同程度受到雜質的污染，質量等級由半導體級降至太陽能特級，污染問題未能得到有效解決，使多晶硅成品雜質分布不均勻，嚴重制約電子級多晶硅產品質量的提升，也是當前制約國內多晶硅用于大尺寸英寸硅片的瓶頸問題，所以解決硅芯雜質污染問題是提升電子級多晶硅產品質量的關鍵因素。本文重點從石墨部件、惰性氣體、硅芯制備、潔凈操作幾方面研究多晶硅生產過程中硅芯雜質來源[2]。

1 石墨部件影響

某多晶硅廠還原爐采用的石墨部件包括石墨卡座、石墨卡瓣等，若石墨部件凈化純度未達到要求，在還原爐高溫運行條件下，爐內部分雜質易揮發附著于硅芯表面，導致硅芯樣雜質升高，而硅芯導通后石墨部件在整個硅棒生產過程中一直處于通電高溫狀態下，且隨硅棒直徑的增大，卡座通過的電流越大，溫度越高，若石墨部件揮發大量雜質，則硅棒沉積層的雜質至少不低于硅芯樣雜質。

保持其他條件不變，對新石墨部件和重復利用的石墨部件進行試驗，生產完成后對硅棒取硅芯樣、沉積層樣和使用的硅芯質量進行對比分析(見表1)。

從試驗數據可以看出：硅芯、成品硅芯樣、成品沉積層中受主雜質偏差不大，硅芯、成品硅芯樣、沉積層樣施主雜質無規律性變化，但成品硅芯樣較硅芯As 雜質仍然出現了成倍增長，且新石墨部件和重復利用的石墨部件無明顯差異，所以石墨部件并非是硅芯樣雜質升高的主要來源。

表1 石墨部件對比試驗數據

2 無定型硅的影響

通過還原爐運行處方及爐內溫度調整，控制無定型硅產生，分析還原爐內無定型硅對硅芯質量的影響，具體試驗數據見表2。

由表中數據可知，若運行過程中只有微量無定型硅產生，硅芯樣施主雜質較產生大量無定型硅時有所降低。這是因為在還原爐內在SiHCl3與氫氣化學氣相沉積反應初期，若進料組分SiHCl3不穩定或爐內溫度未在控制范圍內，還原爐內容易出現霧化現象產生大量無定型硅粉，大量無定型硅隨氣體進入后續尾氣回收系統，少量的無定型硅易隨著爐內反應沉積在硅芯上，造成硅芯受到污染，進而影響多晶硅產品質量。所以需要嚴格控制還原爐進料組分SiHCl3和爐內溫度穩定，減少無定型硅的產生。

表2 無定型硅對硅芯影響試驗數據統計表

3 硅芯制備方式影響

圓硅芯是作為多晶硅生產早期使用的氣相沉積載體，主要是利用多晶硅還原爐內專門生長的硅芯原料棒在區熔硅芯爐內拉制而成，圓硅芯在拉制過程中不同程度受到雜質的污染，進而影響多晶硅產品質量[3]；而方硅芯一種新型氣相沉積載體，其加工主要通過方硅芯切割機來實現，方硅芯是對原生多晶硅棒采用線切的方式加工而成，減少了硅芯雜質引入，同時硅芯截面積大，強度高，垂直度好，承載能力大，安裝過程中容易與石墨卡瓣契合，使得還原爐的倒爐率大大的降低。

圖1 硅芯與石墨卡瓣接觸方式對比

4 潔凈操作影響

(1)硅芯安裝過程中的人、機、料、法、環都是硅芯表面產生污染的重要因素。硅芯安裝在還原潔凈廠房內進行，某多晶硅廠對還原廠房環境中進行了檢測，檢測結果見表3。

由表中數據可以看出，還原廠房環境中灰塵及有機粒子主要附著在硅芯表面的最外層，而金屬顆粒如Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K 等在接觸硅芯表面后，將會以一定的速度將擴散到晶體表面一定的深度，從而影響多晶硅產品質量，這也是成品中硅芯周圍雜質較多晶硅產品沉積層雜質高的原因。

(2)某多晶硅廠對還原操作使用的潔凈手套、無塵紙等潔凈用品進行了檢測，檢測結果見表4。

表3 還原廠房環境檢測數據 單位：ppm

表4 潔凈用品檢測數據

由表中數據可以看出，潔凈用品中存在的Na、Mg、K、Ca、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn 等金屬顆粒附著于硅芯表面，對硅芯也會造成一定污染，隨著還原爐內反應這些金屬顆粒同時擴散到硅棒表面，從而影響多晶硅成品質量。

5 結語

通過以上電子級多晶硅硅芯金屬雜質的來源分析，石墨部件對硅芯雜質影響不大，而無定型硅、硅芯制備、潔凈操作等對硅芯雜質均有不同程度影響，所以還原運行需穩定爐內進料組分和溫度的穩定，減少無定型硅的產生，硅芯從制備工藝使用上都要做到精心管控，同時加強硅芯安裝過程潔凈操作管控，這樣才能滿足半導體行業中的晶圓生產用高純電子級多晶硅純度要求。