关于多晶硅原料处理过程中质量控制措施探讨

　 多晶硅质量受多方面因素影响，本文结合生产实际，分别从提高原料纯度，加强分析手段、控制生产过程中的温度、合理选择混合气配比、保持设备洁净、强化精馏效果、提高质检工作人员业务素质和质量意识等方面进行了分析，以逐步提高多晶硅质量。

　　随着新能源及光伏产业的迅速发展，多晶硅产业也得以高速发展。多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料，被称为“微电子大厦的基石”。目前国际上主要采用传统工艺改良西门子法生产多晶硅，现结合公司生产实际，总结一下改良西门子工艺中多晶硅原料处理过程中质量控制措施。
　　1 多晶硅生产工艺流程简介
　　多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来，目前国际上多晶硅生产主要采用改良西门子法、硅烷法和流化床法等方法，改良西门子法是最主要的方法，采用此方法生产的多晶硅约占多晶硅全球总产量的85%。这种方法节能降耗作用显著、成本低、质量好，对环境不产生污染，因而具有明显的竞争优势。多晶硅生产工艺流程如下：（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅。（2）进一步提纯，把工业硅粉碎并用无水氯化氢与之反应在一个流化床反应器中，生成拟溶解的三氯氢硅，同时形成气态混合物（H2，HCl，SiHCl3，SiCl4，Si）。（3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解：过滤硅粉，冷凝SiHCl3，SiC14，而气态H2，HCl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3，SiCl4，净化三氯氢硅（多级精馏）。（4）净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。
　　2 多晶硅原料处理过程中质量控制措施
　　2.1 提高原料纯度，加强分析手段，提高分析灵敏度
　　决定产品质量的因素很多，其中原料，中间化合物如硅铁、液氯、氢气、三氯氢硅等的杂质的存在，对产品的质量起决定性作用。因此，在制备过程中应尽量减少杂质的玷污，提高原料的纯度，加强化学、物理的分析检测，一般采用光普、极普、质普和气相色普等分析手段检测。太阳能级多晶硅应重点加强其对原料三氯氢硅、氢气等的质量控制，控制三氯氢硅质量的主要措施有控制粗馏三氯氢硅≥98.5%、B<50 ppbw、P<5 ppbw、Fe<500 ppbw，控制精馏操作中回流比稳定在20以上，保证再沸器出口温度稳定，保证三氯氢硅的收率在75%左右。另外氢气、氮气、氩气露点、氧含量、二氧化碳和一氧化碳含量也极大的影响多晶硅质量。因此生产过程中要严格控制氢气、N2和氩气纯度，硅芯加热前要用充分的置换时间，把炉内空气和炉壁上的水分赶净，装炉前要认真对设备做检查防止漏水现象。
　　2.2 控制生产过程中的温度
　　实践证明在900 ℃～1000 ℃间，SiHCl3以热分解为主，1080 ℃～1200 ℃间以还原反应为主，1200 ℃以上副反应、逆反应同时发生。温度在1080 ℃以下亦有SiHCl3还原反应会发生，生成的多晶硅质量不佳。还原温度较低时，会形成暗褐色的无定形硅夹层，这种夹层中间常常有许多气泡和杂质，在拉单晶前无法用酸腐蚀掉，在拉单晶熔料时，轻者使硅棒液面波动，重者产生硅跳以至于无法使用。为避免以上现象的出现应注意：启动后空烧半小时，温度在1080 ℃～1100 ℃进料，整个生产过程中温度也应稳定控制在1080 ℃。
　　2.3 合理选择混合气配比
　　在氢还原SiHCl3的过程中，用化学当量值进行氢还原时，产品是褐色粉末状非晶形硅析出，收率低。当氢气与三氯氢硅为1∶1或1∶2时，除气固相反应外，还会发生气相反应，反应产物硅气相聚合后呈粉状飘落在炉膛内污染整个炉膛。选择合适的配比既有利于提高硅的变化率，又有利于抑制B、P的析出。目前国内生产多采用氢气比三氯氢硅为10∶1或7.5∶1。一般选择配比5∶1较为经济，小于5∶1时，生长速度放慢，转化率降低。
　　2.4 保持设备洁净
　　多晶硅生产过程中，工艺卫生是不容忽视的重要环节，在生产实践中要树立“超纯”观念，养成严格的工艺卫生操作习惯，注意操作者、操作环境及设备材料等方面对产品的污染和影响，多晶硅生产对设备洁净度要求很高，油、氯离子、氧化物或粉尘的介入将严重影响多晶硅的质量，造成其反应速度减慢，产量降低，甚至硅反应停止。水和其他溶液在设备表面残留的氯离子、氧化物、灰尘其他杂质、污垢的存在，也会影响多晶硅的生产。因此多晶硅设备要严格做好脱脂、酸洗、纯水冲洗和干燥等工作。此外，生产过程中，设备材质缺陷或运行维护失当，易造成设备腐蚀或渗漏，期间也会引入大量的重金属杂质或油脂，引起二次污染，因此有必要加强设备运行维护和管理。
　　2.5 强化精馏效果
　　在工业生产中，原料的提纯是提高产品纯度的关键手段，精馏法是化学提纯领域的重点，如何提高精馏效果和改进精馏设备，是精馏提纯需要深入研究的问题，加压精馏、固体吸附等化学提纯方法是近年来产生的新方式。在改进精馏设备方面，为强化汽、液传热、传质的效果，可以采用高效率的塔板结构如浮动塔板，柱孔式塔板的精馏塔等。为了减少设备材质对产品的玷污，可采用含钼低磷不锈钢塔内壁喷涂或内衬F4～6及氟塑料材质，可以提高产品质量。
　　2.6 提高质检工作人员业务素质和质量意识，严把质量关
　　新形势下的生产对质检工作提出了更为严格的要求，因此应树立质量意识，摒弃传统的事后检验模式，从原材料入手，注重生产过程的质量控制，找出可能导致不良品的诸多因素进行监督和处理，健全组织机构，扩大质量控制范围，加强生产现场的质量控制。质量监督人员要深入现场，严把质量关，对生产全过程进行全方位的超前质量控制。另外加强质量教育和培训工作，切实提高生产和质量人员的业务素质，从思想转变入手，狠抓质量宣传，提高全员质量意识，激发员工的工作积极性和主动性。
　　多晶硅产品质量的高低直接影响企业的竞争力，提高改良西门子法生产多晶硅产品的质量，是这个行业共同关注的焦点问题。多晶硅生产是一个系统工程，因此应从生产的各个环节入手，分析质量影响的关键因素，严格规范作业，从而提高多晶硅生产水平和质量。