多晶硅的质量控制

李海龙

新特能源股份有限公司

多晶硅的质量控制

李海龙

新特能源股份有限公司

在多晶硅生产过程中诸多因素影响了最终产品的质量，为了更好地控制好产品的质量，本文论述了影响多晶硅质量的因素，其中着重对多晶硅生产中的高纯氢气、精馏工序、还原工序等几方面对多晶硅质量产生的影响进行了探讨并分析其产生的原因。在文中结合多晶硅生产实际提出了相应的控制措施，以便为相关从业者提供参考。

多晶硅；质量；控制

引言

随着石油、煤炭等传统不可再生能源日益短缺及地球环境的威胁，可再生能源之一的光伏产业受到越来越多人的重视和关注，在未来一段时间发展迅猛。多晶硅作为半导体集成电路和太阳能行业的原材料，可用来生产光敏电阻、晶体管等电子器件和硅太阳电池产品，是跨电子、化工、冶金等多个学科及领域的高科技产品。

1、氢气制备环节对多晶硅质量的影响及控制

电解含有KOH水溶液制备的氢气通过纯化处理后输送至还原炉、流化床等环节中，从而达到生产多晶硅的具体需求，保障整个生产工序的顺利实施。

研究指出，氢气纯度会在一定程度上影响产品的最终质量，在还原炉内实施还原操作时，如果氢气中混有一定的氧气或水分，会引发三氯氢硅水解或者氧化反应，将会导致SiO2氧化层在硅棒上附着。如果遭受氧化的硅棒表层继续沉积硅，会逐渐形成氧化夹层，即使采用酸洗也不能去除。为避免生产多晶硅时出现氧化夹层，必须严格控制整个制氢工序，确保氢气产品中的氧气和水达到标准要求。

2、精馏工序对产品质量的影响及控制

精馏工序是对合成氯硅烷、外购氯硅烷、尾气回收的氯硅烷进行连续精馏。因粗三氯氢硅中含有氯硅烷混合物硼、磷、碳、铝、铜等化合物，特别是其中的硼磷等化合物分离难度比较大。主要原因是硼磷化合物的挥发度与三氯氢硅接近，分离系数接近于1。因此对粗三氯氢硅需用多台精馏塔进行连续精馏才能得到纯的三氯氢硅产品。精馏工序是关系到产品质量至关重要的环节。在精馏塔操作中要从四个方面加以控制：控制系统压力；控制系统温度；控制回流比；控制物料平衡。其中当系统压力不稳定时，会造成每块塔板上的气液平衡组成发生改变。对于系统的温度控制是衡量产品质量的间接标准。当塔压改变时，混合物的泡点和露点都将发生变化，引起塔内温度的改变。在加压精馏塔的操作，顶压是由顶温、塔顶料液组成。不凝性气含量高的塔与其化合物情况相近的塔，可适当降低温度、选择合适的回流比，达到物料平衡。同时在精馏塔开车前一定要对塔内进行干燥，停车时要充入氮气，使塔内集保持正压避免因塔内腐蚀而影响三氯氢硅质量。

3、还原工序对产品质量的影响及控制

还原工序是多晶硅生产至关重要的操作工序。还原工序出现问题将对多晶硅质量造成严重的损害。在还原车间影响产品质量的因素有许多，例如夹层问题、表面质量问题，其关系到进炉原料的配比与质量问题、保安氮气问题、硅芯问题、还原温度的影响及设备清洁条件的影响等。

夹层问题分为氧化夹层与温度夹层。氧化夹层是原料中混有水气或氧时，多晶硅棒就会发生水解及氧化形成一层二氧化硅附着在其上，被氧化的硅棒上继续沉积硅时，就形成了氧化夹层，其危害是在多晶硅拉制单晶硅时会产生“硅跳”现象。温度夹层是在较低温度下进行还原反应时，沉积的硅为无定形硅，如果提高反应继续沉积就会形成暗褐色的无定形夹层，这种夹层称为温度夹层。在该夹层中常有许多气泡和杂质，在拉制单晶硅前用酸无法除去，拉制单晶料时，轻者使熔硅液面波动，重者产生“硅跳”。

由于还原中的温度效应与扩散效应会使多晶硅产生“菜花料”等质量问题。预防措施为选用气场设计合理的还原炉以及设计合理的喷嘴，提高汽化系统与还原炉压差，使气流能到达硅棒的项部；控制温度不能过高，一定要控制平稳，如表面有爆米花状时，可在沉积后期适当降低沉积温度，加大氢气配比，使表面渐渐修复。

还原的反应原料为氢气与三氯氢硅，如果氢气中混有水气与氧时会使多晶硅生产过界产生夹层，而三氯氢硅混有杂质则会影响产品的最终质量，因此要达到两者纯度的要求。对于氢气与三氯氢硅的反应配比，选择合适的配比使之既有利于提高转化率，又有利于抑制硼磷的析出，目前，一般选择配比为5：1。

保安氮气在还原炉的置换过程中会大面积与三氯氢硅和氢气接触。氮气的露点、氧含量将极大影响产品的质量。因此要控制好氮气指标，达标后才可使用。

硅芯质量的好坏直接影响多晶硅的质量，如果硅芯清洗、密封不好或者未烘干，都会使多晶硅表面被氧化而使多晶硅产生氧化夹层。如果硅芯拉制、切割不好有孔洞将使硅芯融化而产生倒棒，影响产品质量。所以要保证硅芯在送入还原炉之前不含水份。

还原的反应温度对整个反应起着决定性的作用。反应温度太高会使产品质量下降，硼磷杂质增加；温度太低又会形成无定形硅；甚至温度控制不好也会产生温度夹层等。所以在还原反应过程中，一定要控制温度的稳定，一般的反应温度控制在900～1100℃。

除了以上各方面的影响之外，拆装炉洁净厂房的控制、设备的清理洁净程度也影响到产品的质量。还原炉炉筒装炉之前要用无尘布布沾酒精擦洗各部件，并作好清洁干燥后才可使用。

结束语

综上所述，多晶硅是一个新兴且具有巨大发展潜力的行业，改良西门子法则是多数厂家生产多晶硅产品最常用的方式之一，这种生产方式能保障整个生产流程处于闭路循环生产状态，提升多晶硅生产效率和质量。

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