多晶硅生产中硅芯色泽异常的机理研究

2021-01-08许跃

化工设计通讯 2020年12期

许跃

（新疆协鑫新能源材料科技有限公司，新疆昌吉 831800）

想要对多晶硅生产中的硅芯色泽异常现象进行机理研究，首先要对硅芯色泽异常现象的含义进行一个深入的了解。所谓的硅芯色泽异常，指的是原本应当焕发金属光泽的多晶硅硅芯出现了其他的颜色。一旦出现该种现象，那么很可能在多晶硅的生产过程中出现跳硅现象。这会对多晶硅的生产质量产生较为重要的影响，因此对硅芯色泽异常现象进行深入的研究与分析是很有必要的，也是很有意义的。

1 实验研究背景

正因为多晶硅的生产在未来的科学技术领域占有较为重要的地位，故而各个国家在硅芯色泽异常的机理研究问题上，显得比较封闭保守，并不热衷于进行学术研究意见的交流。因此我国在进行多晶硅的生产过程中，但凡出现硅芯色泽异常的现象，都无法通过其他国家研究成果的启发，来进行更具创新性的机理研究。因此硅芯色泽异常问题仍然是目前我国多晶硅生产过程中，较为难以解决的问题。本文对硅芯色泽异常的问题进行了深入的探讨，以期能够给相关技术研究人员以更多的参考

2 实验过程分析

2.1 实验原料

为了使得实验的结果更具客观性与科学性，选用一种正常色泽的硅芯和三种异常色泽的硅芯来作为实验原料进行相对应的分析与研究。本文所选择的三种异常色泽的硅芯，其异常颜色分别表现为蓝黑色、黑黄色以及蓝色。在确定好了实验原料之后，把异常硅芯均匀的切割成宽10mm、长10mm、高5mm 的长方体。在切割完毕后，用砂纸将目标检测硅芯的背面磨平，只有如此才能够保障检测样品的平整性。将所有的检测样品都磨平之后，便可以将相关样品放置在无水乙醇中进行超声清洗。需要注意的是，超声清洗的时间必须要达到30min，并且在超声清洗完毕后要立即用纯度较高的N2吹干。

2.2 检测方式

在对目标实验材料进行了上述的制备之后，便可以直接使用酸腐蚀的方法来对目标实验材料进行酸腐蚀。在酸腐蚀完成后便可以使用电子探针对目标实验材料表面的化学元素进行探测。当然，相关技术研究人员也可以使用电子能谱仪来对目标实验材料表面的化学成分进行分析与研究。

2.3 化学成分分析

需要注意的是，所有进行检测的目标实验材料表面可能都存在着一系列的杂质。这些杂质的存在，很可能会对实验结果产生严重的影响。因此，为了保证实验的精确性与科学性，必须要对所有目标实验材料使用电子探针进行分析与研究。并且在使用电子探针的过程中，还需要对目标实验材料的不同部位进行探测。通过探测发现，不论是哪一种类型的目标实验材料的表面都仅仅只含有Si 元素。因此通过目标实验材料表面的化学元素分析可以知晓，目标实验材料表面的化学元素并不是导致硅芯色泽变异的主要原因。在对三种变异色泽的硅芯进行了酸腐蚀实验后，相关技术研究人员需要使用电子探针以及电子能谱，对目标实验物进行化学成分分析。进行酸腐蚀实验的1号目标，实验材料是色泽为黑黄色的异常颜色硅芯。1号目标在进行了酸腐蚀实验后，其颜色发生了较为显著的变化，其内部的杂质元素消失不见，酸腐蚀之后只剩下Si 元素。而2号目标实验材料是色泽为蓝色的变异色泽硅芯。2号目标在进行了酸腐蚀实验后，其他的杂质元素也通通消失不见，颜色也发生了较为显著的变化。而3号目标实验材料是色泽变异为黑色的实验样品，该目标实验材料在进行了酸腐蚀试验后，其色泽并没有明显的变化。使用电子探针以及电子能谱仪对3号目标实验材料进行分析后发现，在酸腐蚀实验过后其内部的化学元素仍然存在杂质。

为了对三种目标实验材料进行更深入的研究与分析，使用精度更高的电子能谱仪对三种实验材料进行检测。通过检测数据的记录不难发现，三种目标实验材料，都存在氧、碳、氮等元素。但三种目标实验材料内部的各类化学元素成分比重有所不同，1号目标实验材料内部Si 元素的占比成分最高，大约达到了53.72%左右，并且1号目标实验材料中存在氯元素。而2号目标实验材料中氧元素的成分含量较高，3号目标实验材料中的氮元素成分含量较高。通过这样的对比分析，相关技术研究人员可以对三类目标实验材料表面层的化学元素进行较为深入的分析。1号目标实验材料表面可能存在硅氧化合物以及无定形硅和1号碳元素。2号目标实验材料的表面仅仅存在过氧化合物以及1号碳元素，而不存在无定形硅。3号目标实验材料表面存在硅氮化合物以及2号碳元素。

2.4 形成机理分析

综上所述，1号目标实验材料表面的异常成分要比2号目标实验材料以及3号目标材料多一些。就目前的科学检测技术而言，并没有任何一种检测技术能够真实地反映有关硅芯色泽变异的全过程。因此要从其他方面进行辅助分析与研究。由于1号目标实验材料表面异常成分较为丰富，因此应当对1号目标实验材料进行更为详细的研究与讨论。样品1腐蚀前后对比如图1所示。

图1 样品1腐蚀前后对比图

在之前的酸腐蚀实验过程中，相关研究人员发现，1号目标实验材料在进行了酸腐蚀实验后，硅芯表面的黄黑色明显消失，逐渐显露出了其原始的颜色。这就意味着1号目标实验材料表面的异常物质可以被酸腐蚀消耗掉，因此这些异常物质并不是硅碳化合物或者硅氮化合物形成的薄膜。而一号目标实验材料表面存在无定形硅，因此1号目标实验材料表面形成的薄膜可能是无定形硅薄膜。色泽变化机理如图2所示。实际上在颜色变异之前，硅芯会与氧气产生氧化反应，氧化反应过后无定形硅薄膜会逐渐形成，最后由于炭黑的附着而使得表面形成了黑黄色。但需要注意的是，由于无定形硅所形成的薄膜，其质地并不紧密，因此在进行酸腐蚀实验过程中，有关材料的分子结构十分容易透过炭黑薄膜进入到内层的无定形薄膜内，导致无定形薄膜被腐蚀掉。

图2 色泽变化机理图

3 结论分析

经过上述的实验研究不难发现，不存在色泽异常变化的硅芯在使用电子探针进行表面化学成分的探测时，并没有探测到任何杂质元素。因此成品硅芯的生产过程中并不会使得硅芯出现异常情况的。而在对三种目标实验材料进行酸腐蚀以及EPM A 分析后，相关研究人员发现，1号目标实验材料以及2号目标实验材料，在经过酸腐蚀实验后，其表面颜色有明显的变化，因此其表面的化学物质容易被相关溶液腐蚀掉。但经过电子能谱分析后，相关研究人员发现两类目标实验材料表面的化学成分并不能与其相关的化学性能进行明显的一一对应。哪怕是表面化学成分相同的硅芯，也可能会出现不同的化学性能。通过对其形成机理的分析与研究发现，任何出现色泽异常现象的硅芯，其表面的薄膜都是硅氧、硅碳以及硅氮几种化合物和无定形硅薄膜以及炭黑薄膜随机组合而形成的。由于1号目标实验物表面的化学成分较为丰富，因此相关实验研究人员着重对1号目标实验物表面的成分进行研究与分析，通过研究后发现1号目标实验材料表面的薄膜组成顺序，由里向外依次为硅氮化合物、无定形硅以及炭黑薄膜。这三种薄膜的组合形成导致1号目标实验物表面呈黑黄色。

4 相关建议分析

在进行了多晶硅生产过程中硅芯色泽变异原理的机理分析后，要根据现有的成果进行相应的技术研究分析，采取具有可行性的措施来进行未来多晶硅生产过程中的实践指导。首先，相关生产人员要时刻严格遵循相对应的生产规章流程制度来进行多晶硅的生产，确保多晶硅的生产质量不会由于原料组成成分的变化而产生问题。同时，还需要通过不断的技术尝试来使得未来的检验方法与过程变得更加科学合理、精确稳定，只有如此才能够使得多晶硅的生产变得更加稳定、安全。同时对于投入到生产过程中进行运用的生产设备，相关技术研究人员也要予以足够的重视。定期对相关设备进行检验与维修，避免由于设备出现问题而导致整体的多晶硅生产出现问题。