高纯多晶硅还原沉积过程及能耗浅析
2020-11-27应成文陈叮琳
应成文 陈叮琳
青海黄河水电新能源分公司 青海西宁 810007
多晶硅作为最主要半导体材料根据不同纯度级别可分别应用到光伏电池、分立器件、集成电路、大功率元器件及高精检测仪器等方面。电子级多晶硅是半导体产业上游原材料，多晶硅拉制成单晶棒，再切片、打磨、抛光，最后经刻蚀就形成了芯片，生产集成电路时对原材料多晶硅有着极高要求，一般至少需要国标电子级一级以上。目前制备电子级多晶硅主流化学方法主要是改良西门子法[1]，该方法最关键生产环节是还原单元，它是电子级多晶硅生产中电耗最多一个环节，在整个电子级多晶硅生产电耗中占比大约有60%，为降低还原单元能耗，还原炉作为还原单元最核心设备，需要对还原炉从工艺流程、还原炉化学气相沉积反应过程等方面进行能耗影响因素深入分析。
1 还原炉反应过程
1.1 还原炉工艺流程
还原炉内装有垂直安装硅芯（硅芯直径约为φ8mm）及与硅芯连接硅桥，还原炉经高压启动给硅芯通电后，硅棒表面温度可以达到1050-1150℃（1323-1423K）时，然后将来自精馏工序提纯高纯度SiHCl3（TCS）与氢气经加热后混合物送入还原炉，SiHCl3和H2在炉内高温气氛下被加热至1100℃左右后发生化学反应，逐渐生成部分硅晶体，在硅芯表面经过缓慢沉积，一般当还原炉内硅棒直径逐渐沉积成约120mm柱状硅棒，整个电子级多晶硅生长周期通常需要110h左右，产生反应炉中尾气（H2、TCS、STC、DCS、HCl）经分离后，氯硅烷（TCS、STC混合物）送至精馏工序继续进行提纯回收，氢气经尾气回收吸收、解析、净化后作为循环氢气返回还原炉，氯化氢和DCS送至低压氯化工序进行反应。待还原炉完成置换、降温等收割准备后对多晶硅棒进行收割，送至后处理经过破碎、酸洗、包装可销售到下游客户。
目前还原炉主要采用立式钟罩型，其组成一般包括双层壁体、硅芯、电极、底盘和视镜等结构。还原炉钟罩采用双层夹套，是为了避免在钟罩内壁表面上出现沉积硅现象，因为夹套中冷却水有利于只在硅棒表面附近发生SiHCl3和H2沉积反应。还原炉炉体侧面有视镜接口，可以有助于观察还原炉内硅芯表面多晶硅沉积情况。通常还原炉炉体是由不锈钢金属材料制成，而为了避免还原炉内壁表面温度超过材料设计温度，从而造成生产过程中设备故障，一般使用钟罩冷却水夹套换热来降低炉壁表面温度[2]。
1.2 还原炉化学气相沉积反应
还原炉发生化学气相沉积反应生产多晶硅棒，炉内包括SiHCl3和H2的主反应、副反应及杂质可能参与反应，具体如下：
主反应：
3SiHCl3→Si +2SiCl4+HCl+ H2
3SiHCl3+ H2→ 2Si +SiCl4+5HCl
5SiHCl3+ H2→ 2Si + 2SiCl4+ 5HCl+ SiH2Cl2
副反应：
4SiHCl3→ Si + 3HCl
SiCl4+ 2H2→ Si + 4HCl
可能发生的反应：
2SiHCl3→ Si + 2HCl + SiCl4
SiHCl3→ SiCl2+ HCl
杂质反应：
2BCl3+ 3H2→ 2B + 6HCl
2PCl3+ 3H2→ 2P + 6HCl
2 还原能耗及影响因素分析
2.1 还原能耗分析
整个多晶硅还原炉在化学气相沉积过程中主要能量来源是电加热，多晶硅还原炉内硅棒经高压启动，根据还原炉炉内热量平衡计算，通电加热后得到热量，在生产过程中还原炉主要以热量形式向外部耗散，一部分硅棒表面热量通过辐射散热首先传递给炉内壁，热量再经过炉壁夹套冷却水系统带走，一部分热量经过炉内混合气体发生反应后，热量通过对流换热由炉内几个尾气口带走，还有一部分则是原料SiHCl3和H2气体混合后发生化学气相沉积反应所需要反应热。
在还原炉电子级多晶硅生产过程中，随着炉内生成晶体硅沉积，硅棒逐渐长粗，随着硅棒直径逐渐增大，其电阻逐渐减小，所以为了维持炉内硅棒表面反应温度，需要逐渐增大电流，导致硅棒总功率逐渐增加。同时，在生产后期炉内硅棒直径增加，表面积增大，为了保证硅棒表面硅沉积量，需要相应增大SiHCl3和H2进料量。
综上可以看出，还原炉内的SiHCl3和H2的生产过程很复杂，在还原炉内电子级多晶硅生产过程中，呈现温度敏感、电耗波动、进料量波动特点。
2.2 还原能耗影响因素分析
还原炉化学气相沉积过程能耗受到很多因素影响，主要包括硅棒表面温度、炉内洁净度和炉壁温度、炉内压力、原料进料量和进气温度等。针对影响因素从以下几点进行了分析：（1）其中维持硅棒表面温度而直接消耗能源，是还原炉化学气相沉积过程主要电耗；（2）另外还原炉钟罩内壁表面洁净度，决定了炉壁反射率，可以影响炉内辐射换热，从而影响电耗；（3）还原沉积过程主要工艺参数，包括炉内温度、压力、进料量、原料纯度等，会影响多晶硅沉积效果，将直接影响还原炉能耗和多晶硅质量[3]。
3 结语
通过分析还原炉工艺流程、还原炉化学气相沉积反应生产过程能耗特点，说明了还原沉积过程能耗呈现周期变化规律，具有温度敏感、电耗波动、进料量波动特点，并受到硅棒表面温度、炉内洁净度和炉壁温度、炉内压力、原料进料量和进气温度等影响因素。
