电子级多晶硅产品在还原过程中的影响因素

陈叮琳

(青海黄河水电新能源分公司，青海　西宁　810006)



电子级多晶硅产品在还原过程中的影响因素

陈叮琳

(青海黄河水电新能源分公司，青海西宁810006)

近些年来，我国的电子信息技术产业发展快速，尤其是高科技领域对于电子级高纯多晶硅的需求量有所增长，多晶硅材料已成为电子信息、电力产业和太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料，本文主要介绍了电子级多晶硅在还原炉内的沉积过程受到反应温度、反应配比、气体流速、炉内压力、原料纯度等许多因素的影响，同时介绍了其与多晶硅的沉积质量和电耗之间的关系。

多晶硅；沉积质量； 影响因素

近些年，我国的电子信息技术产业发展快速，尤其是高科技领域对于电子级高纯多晶硅的需求量一定程度上有所增长[1-2]。高纯硅材料已成为电子信息、电力产业和太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料[3]。硅材料的需求主要来自于半导体和太阳能电池，按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级，可以根据不同的纯度级别用来制作各种晶体管、整流二极管、可控硅、太阳能电池片、太阳能电池组件、集成电路和电子计算机等，并已形成包含光伏产业与电子信息产业在内的独立的、完整的产业体系[4-6]。

1　多晶硅生产中的影响因素

多晶硅在还原炉内的沉积过程受到许多因素的影响，包括沉积温度、反应配比、气体流速、炉内压力、原料纯度等。这些因素相互制约影响，对多晶硅的沉积质量以及单位产品电耗都有直接的关系。

1.1沉积温度

过热的三氯氢硅与尾气回收回来的循环氢气按一定摩尔比充分进入还原炉，而三氯氢硅和氢气在还原炉内主要发生热分解的反应和氢还原反应，而这两种反应都是吸热反应。因此从理论上讲，随着炉内温度的升高，越有利于对氢还原反应和热分解反应，增加了硅的沉积速率。但因为硅在硅棒表面发生气相沉积时，这又是一个物理过程，所以随温度升高，硅沉积过程解析速率会增加，吸附速率则降低。所以在实际生产中，炉内温度控制得越高，对于硅的沉积过程并不是很好。

同时，当炉内反应温度增加时，有利于提高硅的结晶性能。结晶随着炉内温度升高而变得粗大，而且硅棒表面会有很亮的金属光泽，但当反应温度过高(>1200 ℃)时，则容易使硅因发生逆腐蚀反应而熔化；反之，结晶因温度过低会变得细小，且硅棒表面呈现一种暗灰色，当反应温度过低(<900 ℃)时，会生成一种疏松且呈现暗褐色的无定形硅，所以有时会覆盖一层无定形硅在还原炉石墨电极上。

因此对还原沉积反应，过低温度和过高温度都不利，在还原炉的生产中，控制好炉内的温场起了很大程度上的作用。在符合一定工艺条件时，只有把炉内温场控制稳定，才能在一定程度上提高硅的沉积速率和降低还原电耗。

1.2反应摩尔比

一般三氯氢硅的转化率随H2与SiHCl3摩尔比的增大而升高。但H2与SiHCl3的摩尔比不能过高，因为：①当氢气流量太大时，一方面使三氯氢硅的浓度被稀释，硅的沉积速率随着三氯氢硅分子与硅棒表面碰撞的机率减少而降低，因而单位时间内多晶硅的产量也就降低，另一方面提高了氢气的消耗量和还原尾气回收的处理负荷。②由BCl3，PCl3的氢还原反应可见，当氢气浓度过高时，对于 B和P析出的抑制将越不利，进一步也会影响产品质量。

1.3气流流速

硅棒表面的气流速度不仅影响多晶硅表面沉积的均匀性，而且对硅棒表面热扩散、对流散热、粘滞层厚度等都有影响，因此维持硅棒表面合理的气体流速非常重要。当保证达到一定沉积速率时，混合气流量愈大，炉产量愈高。而流量大小与还原炉大小和结构，特别是载体表面积的大小有关，由分子动力学观点可以看出，硅芯面积与反应空间的比值越大，气体对沉积面的碰撞机增多，因此能有效提高实收率。

1.4炉内压力

增加压力可以使分子的碰撞机率增加，使沉积速率加快。但根据化学反映的平衡观点，还原炉系统随炉内压力增加，硅的平衡收率会降低。这是因为反应式(1)和(2)：

(1)

(2)

随着炉内压力升高，反应(1)的平衡向左进行，使TCS的转化率下降，Si和HCl的收率下降。这就使得虽然炉内压力升高，反应(2)的平衡会向右进行，但是由于系统中HCl生成量下降，导致(2)的反应机率也会下降，所以STC的收率也会随之下降。

1.5原料纯度

在多晶硅还原生产的过程中所用原料三氯氢硅及氢气纯度对多晶硅产品质量影响也很大。三氯氢硅中若主要杂质P、B、As等的含量较高，在高温下它们将会发生副反应，析出的产物与其他一些在炉内不还原的重金属杂质一起飘在气相中， 当SiHCl3和H2往载体上扩散时，这些杂质也被携带到载体上，这样多晶硅的质量将受到严重影响。而如果氢气中混有水汽和氧，当含氧量大于20×10-6，露点大于-30 ℃时，则可能会发生水解或者氧化，生成一种二氧化硅氧化层附着于硅棒上，继续在这种被氧化的硅棒上沉淀硅时，就形成了氧化夹层，这种夹层通过酸洗也不能除去。当在真空条件下生长单晶硅时，会产生硅跳现象，造成熔融硅从熔区中溅出，熔区表面浮渣增多，致使多次引晶不成功。氢气中含有的CO2、CO时使衬底氧化，硅在氧化的衬底上沉积生长多晶硅。所以需要严格执行精馏提纯、制氢及还原尾气回收的操作规程，提高还原炉内原料三氯氢硅及氢气的纯度。

1.6还原炉部件及硅芯纯度

对于还原生产而言，还原炉的绝缘越高越好，保证生产可以长时间的平稳运行。当绝缘过低时，将会使还原炉接地跳停，从而导致生产中断。还原炉部件包括石墨卡件、电极、钟罩、硅芯等，这些部件对还原生产有很大的影响，尤其是炉内部件底盘、石墨卡件、电极等部件不能有异物，如果没有彻底清洁，生产时会造成表面氧化物、灰尘、污垢等杂质污染，使得多晶硅质量下降。而钟罩光洁度愈高，越有利于还原炉内的温场平稳。钟罩光洁度降低，被钟罩夹套水带走的热量就越多，这样就相当于在用电来加热水，因此电耗将上升。硅芯不仅是多晶硅沉积的地方，又是作为发热体为沉积反应提供所需的温度。现在多晶硅生产普遍使用多晶硅所制成的硅芯作为载体，所以硅芯本身纯度很高，避免了对产品的污染，生产结束后又成为多晶硅产品的一部分。通过实际生产总结可以得出，硅芯的电阻率不能太高也不能太低，太高太低都会不利于击穿。

1.7高温水系统

对还原生产而言，高温水系统主要是对还原炉进行夹套冷却，同时将还原炉内产生的热能通过闪蒸的方式产生蒸汽进行重复利用。因此，合理控制高温水系统，对于降低能耗起着很大的作用。适当的提高炉筒的夹套水进水温度，降低夹套水所带走的热量，可以降低还原的电耗。另外，对高温水系统进行补水时，要尽可能的使用蒸汽冷凝水，而不是直接补充脱盐水，避免因进水温度的过大波动而破坏炉内的温场平衡。

2　结　语

随着我国半导体工业结构的调整和高纯多晶硅需求量的不断增长，对多晶硅产品的纯度提出了更高要求，而多晶硅在还原炉内反应过程中受很多因素影响，在生产过程中需要严格控制每个环节，加强生产技术科技创新，才能保证生产多晶硅的纯度，提高国内的多晶硅生产水平。

[1]梁骏吾.电子级多晶硅的生产工艺[J].中国工程科学,2000,2(12):34-39.

[2]董前程.影响多晶硅质量的因素[J].氯碱工业,2012,48(9): 31-33.

[3]曾红军.多晶硅工艺过程危险、有害因素浅析[J].新疆化工,2008(4):41-46.

[4]刘秀琼,汪治林,邓丰.多晶硅生产过程的质量控制[J].广东化工,2013,41(07): 87-88,90.

[5]王晓军,牛聪明,红星,等.浅析电子级多晶硅影响因素[J].内蒙古科技与经济,2013(13): 103-104.

[6]廖敏.氢气纯度对多晶硅产品质量的影响及采取的对策[J].四川有色金属,2010(03):24-26,45.

Influencing Factors of Electronic Grade Polysilicon in Reduction Process

CHEN Ding-lin

(Qinghai Huanghe Hydropower Development Co., Ltd., New Energy Branch, Qinghai Xining 810006, China)

In recent years, the electronic information technology industry rapidly develops in China, especially the growth demand of high purity electronic polysilicon in high-tech area, and polycrystalline materials have become the main and the most basic functional materials of the electronic information, electricity industry and the solar photovoltaic industry. The influencing factors of polycrystalline silicon in sedimentary process by reaction temperature, reaction ratio, gas flow rate, pressure in the furnace, and its relationship with polysilicon deposition quality and power consumption were mainly introduced.

polysilicon; sediment quality; influencing factor

陈叮琳(1987-)，女，硕士，助理工程师，从事多晶硅的研究。

TN304.1

A

1001-9677(2016)016-0181-02