硅芯硅棒自动清洗设备的研制

2011-06-28卫晓冲

电子工业专用设备 2011年7期

卫晓冲，张峰，田娜

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

国内外现有的多晶硅厂，绝大部分采用三氯氢硅氢还原法生产电子级和太阳能级多晶硅。在氢还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面，三氯氢硅发生氢还原反应，生成硅沉积下来，使硅芯/硅棒的直径逐渐变大，直至达到规定的尺寸。硅芯/硅棒的制备采用区熔炉拉制与切割并用的技术，在制备过程中需要对硅芯/硅棒进行清洗处理。

1 清洗方式

目前硅芯/硅棒的清洗，多采用氢氟酸和硝酸进行表面腐蚀处理，再用超纯水冲洗干净，然后进行干燥。酸腐蚀处理过程中会有氟化氢和氮氧化物气体逸出至空气中，废气的抽取需要时间，人工操作时难免处于该气体环境中，增加防护难度。而且硅芯硅棒长度达到2 m以上，单个硅棒的质量也有40 kg以上，操作人员的劳动强度大，效率低。本文介绍一种自动清洗设备，针对太阳能级的硅芯硅棒而专门设计的非标清洗设备，该系统具有自动化程度高，操作方便，生产效率高，系统可靠性好等优点。

2 主要机构

全自动硅芯硅棒清洗机是针对太阳能级的硅芯硅棒而专门设计的非标清洗设备，清洗过程中篮具的传输，采用两个龙门式机械手方式移动，完成清洗工艺流程的自动化作业，设备包含以下工位：上料工位、酸腐蚀工位、QDR、溢流冲洗工位、超声清洗工位、水浴清洗工位、干燥工位、下料工位。

2.1 技术参数

清洗对象：

硅芯φ（7～10 mm）×(2000～2800 mm)

硅棒 φ（110～150 mm）×（2000～2800 mm）

清洗数量：硅芯24根/篮；硅棒1根/篮

篮具尺寸：2860 mm×300 mm×395 mm

机械臂最大承重：120 kg

电源：三相四线380 V±10%、50 Hz

纯水供给：流量均值13 m3/h

压缩空气：进口压力（0.5～0.7）MPa

2.2 工艺流程

上料→酸腐蚀→QDR→溢流→超声→水浴→风切→下料

2.3 设备结构设计

设备主要由工艺清洗系统、传动系统、电气控制系统、排风系统、管路系统和设备主体等构成。整机结构示意图见图1。

图1 整机结构图

（1）设备主体：由不锈钢焊接而成，保证设备强度高、刚性好；

（2）传动系统的设计：传动系统是全自动清洗设备最核心的部分。传动系统的性能直接决定了全自动清洗设备整体工作效率及工作稳定性、可靠性等。在设计时主要考虑：运动的稳定性、运动的精确性、传动结构的刚性、运动速度及运动的平稳性。本设备水平方向移动采用伺服电动机，减速电动机和同步带结构传动；垂直方向采用交流电机，减速电动机和防腐蚀吊带结构，整体为龙门式运动方式；

（3）排风系统的设计：本机采用设备顶部排风，抽风系统把酸腐蚀过程中产生的氟化氢和氮氧化物气体导入专用管道，来防止其扩散对人体及环境的影响；

（4）工艺清洗系统：工艺清洗包含6个部分，分别为酸腐蚀槽、QDR槽、溢流冲洗槽、超声清洗槽、水浴清洗槽、风切烘干槽。

酸腐蚀槽：自动控制HF和HNO3的供给，对硅芯表面进行腐蚀清洗，槽内配有氮气鼓泡装置，充分搅拌溶液，使腐蚀更均匀。槽体采用聚偏二氟乙烯材质板材焊接，耐腐蚀性能优越。

QDR槽：通过快速给水、喷淋、鼓泡和快速排放功能，快速冲洗上一工序残留的酸液。

溢流冲洗槽：40℃～50℃的热水持续溢流冲洗，确保酸液无残留。

超声清洗槽：超声频率为40 kHz，经超声波换能器转换为高频机械震荡传送到清洗液中，利用空化效应产生的大量小气泡连续轰击工件表面，使夹缝中的污垢剥落。清洗液温度升高时气泡数量增加，对产生气泡有利，但温度过高，气泡中蒸气压增大，空化强度会降低。实验证明在40℃～50℃之间，超声效果最好。

水浴清洗槽：40℃～50℃的纯水浸泡清洗，同时配备氮气鼓泡装置，使槽内液体温度均匀，安装低液位传感器，防止加热管干烧。

风切烘干槽：腔体采用优质316不锈钢材质，主要由氮气供给系统，加热系统和移动风刀组成，热氮气通过移动风刀将硅芯硅棒表面水珠吹掉并蒸发，不留水迹，其效果要优于单纯的加热烘干槽。

（5）管路系统：管路排置于设备后下方，排酸与排废水都有独立排放管路，废酸进行回收处理达标后排放。纯水管路采用洁净材质，确保不会引入多余污染颗粒，影响清洗效果。

（6）电气控制系统：电气系统控制是整个设备的重要部分，编程安排系统在各个清洗槽的运动时序，控制阀门以及清洗工艺模块的工作状态。整套控制系统以一台PLC（可编程控制器）为核心，触摸屏作为人机界面、电动机和各种气动阀门作为清洗工件的执行机构及其它一些辅助系统。

电气控制系统包括操作面板、控制柜、伺服电机、传感器、电磁阀、加热元件、泵等。控制柜为独立单元，放置于设备左后侧，为全封闭式，内部通有干燥的压缩空气，防止酸雾腐蚀电器元件。操作面板安装于设备左前端，上面装有触摸屏、电源启动、停止和急停按钮。

本设备通过PLC控制，按照生产工艺的要求，对触摸屏和PLC进行了编程设计，控制模式分为自动和手动，在自动模式下，按运行后，操作员只需要上料和下料即可，设备将自动运行，实现各种功能。手动方式则可以进行单独工艺动作，主要用于检修和实验。各清洗槽的工艺清洗时间及其它一些工艺相关参数可以在触摸屏上设置。系统可以编译并存储多条清洗工艺程序，用户可以根据需要进行修改或储存。