电子级多晶硅生产技术分析

李向东

摘要：电子级多晶硅在当今的工业生产中有着举足轻重的地位。因此，电子级多晶硅的生产厂家必须提高产品的品质，提升生产效率。从目前国内的电子多晶硅技术发展现状来看，还存在着许多问题，亟待改进相关的生产工艺，这样才能更好地推动我国电子行业稳步发展，提高企业的生产效率。基于此，文章重点分析电子级多晶硅生产的关键技术，及生产质量的影响因素，以供参考。

       关键词：电子级多晶硅；生产工艺；精馏

          1.电子级多晶硅生产技术原理

       世界上80%的多晶硅公司都在使用改进的西门子工艺（闭环三氯化氢硅氢还原工艺）。经过数十年的发展，改良西门子工艺技术不断成熟，能耗不断降低，生产成本大幅降低。该工艺与传统的硅烷工艺相比，生产效率高，工艺安全风险小。该工艺的主要技术原理是将低纯度的硅粉与氯化氢反应生成三氯氢硅，三氯氢硅经蒸馏过程提纯，然后用氢气将三氯氢硅还原为硅，还原后的硅经过化学气相淀积（CVD）变成多晶硅棒，经后处理工艺如破碎、酸洗、水洗和包装，获得了一种超纯的电子多晶硅[1]。

      2.常见电子级多晶硅的生产技术

         2.1硅烷CVD法

         采用这种技术生产电子级多晶硅的主要优点是净化方便，硅胶含有近90%的硅量，分解速度非常快，分解速度超过99%，反应分解温度较低，从而可以生产多晶硅产品此外，硅烷热解产生H2，不会污染环境。采用这种技术生产电子级多晶硅也有以下缺点:(1)硅烷分解时，很容易产生气相芯，同时在反应室产生相应的粉尘，这不仅会堵塞管道和设备，而且还会影响此外，硅烷生产成本高很容易导致最终生产的电子多晶硅成本增加。(2)所使用的硅烷具有爆炸性、易燃性和不安全性，即使在室温下也存在火灾危险[2]。

         2.2气液沉积法

         这一技术是日本开发和控制的，主要是用管道反应器生产的，操作温度控制在1500℃，直接在气体中产生液态硅。由于工艺反应温度高，沉积速度快于西门子改进方法。技术方法:利用硅土，siCl4在SiO2和Cl反应下生产，分离提取后，多晶硅滴出现在相应反应堆中。在这种方法中，工艺原料不再是工业硅，而是SiO2，工艺消除了SiO2与工业硅的融合，不仅大大缩短了生产过程，而且提高了SiCl4的净化效果和纯度。这种方法不仅节省了生产电子级多晶硅的总成本，而且大大提高了产品的纯度，有关部门应深入研究液-气沉积方法[3]。

         2.3无接触化后处理技术

         传统的电子级硅棒后处理过程是需要大量人工参与的，例如使用特制的钨钴合金破碎锤将硅棒破碎成特定尺寸的硅块，但是这些过程不可避免的会引入人工污染。本文开发了无接触式高压脉冲硅棒破碎技术，利用高纯水作为介质，以高压电脉冲作为动力源进行破碎，解决了人工破碎或机械破碎过程中金属杂质渗入的难题，同时对脉冲电流电压、位置等参数的调整，还可以精确控制硅料尺寸分布。以硝酸、氢氟酸、盐酸为基础的多池混酸刻蚀技术，则解决了硅块刻蚀表面不均、表面形貌不佳、杂质去除能力弱等技术难题。

       3.电子级多晶硅生产质量的影响因素

3.1硅粉品质的影响
       在三氯氢硅生产中，由于主要采用了冷加氢技术，因此硅粉在生产中起到了很大的作用。经过大量的生产实践，发现硅粉的粒径大小对转化率和生产操作有很大的影响。由于硅粉中的铝元素含量太高，会造成机械结构的间隙阻塞，从而降低产品的质量和效率。因此，应加强硅粉的品质指标，使其强度控制在40~120目，而铝的含量不超过0.1%[4]。
       3.2尾气回收工序的影响
       废气再利用的效率也会对多晶硅的品质产生一定的影响，其中，氢的回收纯度对产品的品质有很大的影响。在回收过程中，二氧化碳、一氧化碳、甲烷等都会对碳产生一定的影响，而甲烷对二氧化碳的影响最大。总之，碳含量对氢纯度的影响最大。过量的杂质会对电阻率产生一定的影响，而高的氯化氢会导致硅棒、硅芯等的腐蚀。当回收的氢气中存在大量的氯化氢，当浓度大于0.5%时，多晶硅的电阻率就会显著下降。另外，应严格控制回收氢气中的含水量，避免因含水量过高而造成多晶硅内部的氧气夹层，从而影响其电气性能。所以，强化汽车尾气中的氢气净化是非常必要的。
       3.3还原工序的影响
       在多晶硅的生产中，还原过程是一个非常关键的过程，它对产品的品质控制有很大的影响。在电子级多晶硅生产过程中的影响因素很多，在工艺过程中，任何一个环节都会影响到产品的品质和质量。因此，要有相对成熟的工艺控制水平，才能保证产品的品质。经过众多专家和学者的研究，可以从沉积温度、气流速度和反应的摩尔比等几个角度进行分析。由于反应温度、压力等因素对多晶硅的品质有很大的影响，因此温度、压力等参数都要严格控制。

       3.4精馏工序的影响
       在蒸馏过程中，三氯化硅的纯化是必需的，而在还原过程中，三氯化硅是高纯度的。精馏过程中，对多晶硅的品质控制特别重要，而磷、硼等金属去除困难，如果不能有效地控制磷、硼的含量，就会影响电阻率。例如还原精馏、合成硅烷、加氢精馏。通过调节回流比技术参数，添加冷凝器等，使冷凝后的氯化硅可以作为副产物出售。
4.电子级多晶硅生产发展措施
         4.1智能化系统构建
         近年来各类智能化操作设备的发展，为电子级多晶硅智能化系统的建设提供了基础平台，针对还原炉拆棒、清洗过程，自主研发了大规模电子级多晶硅生产高洁净、智能化生产装备，具体包括基于视觉引导的重载机器人硅棒自动拆除系统、基于主动力控制的还原炉底盘智能清理系统、损失检测系统。针对硅棒每批次生产外形机都有变化且表面形貌导致的难以精确定位的特性，引入深入学习算法实现大尺寸硅棒拆除的自动化，同时结合机器视觉、力觉控制技术，提出自适应阻抗位置力协调控制算法实现CVD反应炉底盘和电极机器人打磨清理系统，还提出了三维空间内机器人精确定位、载荷浮动、打磨力度控制、内壁状态识别等问题，实现了还原炉内壁自动损伤检测。这些智能化装备在本领域的首次应用，杜绝了以往人工参与引入的污染，以及作业标准不一致导致的产品质量波动，在全球具有领先水平。
         4.2提升控制精馏装置的水准

 在电子类聚硅的生产过程中，细蒸馏装置是一种极为关键的装置，影响电子类聚硅最终质量的镎、磷、硼、砷等微小杂质必须由该装置去除和分离。为了进一步提高蒸馏效率，应利用试验室对中间产品进行评价，然后将符合要求的产品送往还原炉进行下一次生产，再对不合格产品进行再精练。通过不断优化加热炉和精确调整运行参数，中国实现了一种更有效的参数调节方法，能够将杂质从重量和重量成分中分离出来，并确保产品质量可控，从而在处置过程中全面减少硅烷排放。
         4.3加强关键核心技术的支持力度
         它能够利用健全的工业基础和产业升级基金等现有的融资渠道，综合支持与产品质量稳定有关的关键技术，如材料、设备、技术、质量控制等。在12英寸以上集成电路硅片的工业生产过程中，支持整体化工过程的机械效率研究，支持提高生产自动化水平和智能水平。支持多晶硅材料检测和分析电子平台的建立，开展高纯度硅材料和硅圈高温合金杂质定量定性分析等化学分析技术的研究，以及晶体显微分析等物理分析技术的研究，提供检测服务。
5.结论
       总而言之，随着我国电子行业的迅速发展，对电极多晶硅的需求与日俱增，给制造厂商的发展带来了机遇，但也给企业带来了一些挑战与压力。企业要想在激烈的市场竞争中站稳脚跟，就必须不断优化、创新工艺。并在此基础上，进一步提高我国的电子产品质量和产量，为我国电子工业的发展打下坚实的基础，从而提高我国的整体实力。
       参考文献
       [1]吴锋.集成电路用电子级多晶硅大规模产业化技术实践[J].山东化工,2022,51(1):181-183.
       [2]张洪斌,闫涛,李鹏飞,等.电子级多晶硅生产技术分析[J].化工设计通讯,2022,48(4):75-77,80.
       [3]张鹏远,杜俊平.结合多晶硅国家标准浅析电子级多晶硅生产控制要点[J].中国有色冶金,2021,50(2):59-63.
[4]刘刚,电子级多晶硅智能工厂研究应用.青海省,青海黄河上游水电开发有限责任公司新能源分公司,2020-05-14.