电子级多晶硅生产中硅芯杂质的来源

张才刚 俞朝 陈叮琳 李宏盼 李有斌(1.青海黄河水电公司新能源分公司，青海 西宁 810007；

2.青海省新能源材料与储能技术重点实验室，青海 西宁 810007)

0 引言

改良西门子CVD 法[1]是在还原炉内通入高纯的三氯氢硅(TCS)和氢气(H2)，使其通过化学气相沉积反应将多晶硅沉积在热载体上(即硅芯)，但在实际生产过程中，硅芯在制造过程中和在还原炉初期沉积过程中不同程度受到杂质的污染，质量等级由半导体级降至太阳能特级，污染问题未能得到有效解决，使多晶硅成品杂质分布不均匀，严重制约电子级多晶硅产品质量的提升，也是当前制约国内多晶硅用于大尺寸英寸硅片的瓶颈问题，所以解决硅芯杂质污染问题是提升电子级多晶硅产品质量的关键因素。本文重点从石墨部件、惰性气体、硅芯制备、洁净操作几方面研究多晶硅生产过程中硅芯杂质来源[2]。

1 石墨部件影响

某多晶硅厂还原炉采用的石墨部件包括石墨卡座、石墨卡瓣等，若石墨部件净化纯度未达到要求，在还原炉高温运行条件下，炉内部分杂质易挥发附着于硅芯表面，导致硅芯样杂质升高，而硅芯导通后石墨部件在整个硅棒生产过程中一直处于通电高温状态下，且随硅棒直径的增大，卡座通过的电流越大，温度越高，若石墨部件挥发大量杂质，则硅棒沉积层的杂质至少不低于硅芯样杂质。

保持其他条件不变，对新石墨部件和重复利用的石墨部件进行试验，生产完成后对硅棒取硅芯样、沉积层样和使用的硅芯质量进行对比分析(见表1)。

从试验数据可以看出：硅芯、成品硅芯样、成品沉积层中受主杂质偏差不大，硅芯、成品硅芯样、沉积层样施主杂质无规律性变化，但成品硅芯样较硅芯As 杂质仍然出现了成倍增长，且新石墨部件和重复利用的石墨部件无明显差异，所以石墨部件并非是硅芯样杂质升高的主要来源。

表1 石墨部件对比试验数据

2 无定型硅的影响

通过还原炉运行处方及炉内温度调整，控制无定型硅产生，分析还原炉内无定型硅对硅芯质量的影响，具体试验数据见表2。

由表中数据可知，若运行过程中只有微量无定型硅产生，硅芯样施主杂质较产生大量无定型硅时有所降低。这是因为在还原炉内在SiHCl3与氢气化学气相沉积反应初期，若进料组分SiHCl3不稳定或炉内温度未在控制范围内，还原炉内容易出现雾化现象产生大量无定型硅粉，大量无定型硅随气体进入后续尾气回收系统，少量的无定型硅易随着炉内反应沉积在硅芯上，造成硅芯受到污染，进而影响多晶硅产品质量。所以需要严格控制还原炉进料组分SiHCl3和炉内温度稳定，减少无定型硅的产生。

表2 无定型硅对硅芯影响试验数据统计表

3 硅芯制备方式影响

圆硅芯是作为多晶硅生产早期使用的气相沉积载体，主要是利用多晶硅还原炉内专门生长的硅芯原料棒在区熔硅芯炉内拉制而成，圆硅芯在拉制过程中不同程度受到杂质的污染，进而影响多晶硅产品质量[3]；而方硅芯一种新型气相沉积载体，其加工主要通过方硅芯切割机来实现，方硅芯是对原生多晶硅棒采用线切的方式加工而成，减少了硅芯杂质引入，同时硅芯截面积大，强度高，垂直度好，承载能力大，安装过程中容易与石墨卡瓣契合，使得还原炉的倒炉率大大的降低。

图1 硅芯与石墨卡瓣接触方式对比

4 洁净操作影响

(1)硅芯安装过程中的人、机、料、法、环都是硅芯表面产生污染的重要因素。硅芯安装在还原洁净厂房内进行，某多晶硅厂对还原厂房环境中进行了检测，检测结果见表3。

由表中数据可以看出，还原厂房环境中灰尘及有机粒子主要附着在硅芯表面的最外层，而金属颗粒如Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K 等在接触硅芯表面后，将会以一定的速度将扩散到晶体表面一定的深度，从而影响多晶硅产品质量，这也是成品中硅芯周围杂质较多晶硅产品沉积层杂质高的原因。

(2)某多晶硅厂对还原操作使用的洁净手套、无尘纸等洁净用品进行了检测，检测结果见表4。

表3 还原厂房环境检测数据 单位：ppm

表4 洁净用品检测数据

由表中数据可以看出，洁净用品中存在的Na、Mg、K、Ca、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn 等金属颗粒附着于硅芯表面，对硅芯也会造成一定污染，随着还原炉内反应这些金属颗粒同时扩散到硅棒表面，从而影响多晶硅成品质量。

5 结语

通过以上电子级多晶硅硅芯金属杂质的来源分析，石墨部件对硅芯杂质影响不大，而无定型硅、硅芯制备、洁净操作等对硅芯杂质均有不同程度影响，所以还原运行需稳定炉内进料组分和温度的稳定，减少无定型硅的产生，硅芯从制备工艺使用上都要做到精心管控，同时加强硅芯安装过程洁净操作管控，这样才能满足半导体行业中的晶圆生产用高纯电子级多晶硅纯度要求。