氢气纯度对多晶硅产品质量的影响解决方案

　　在半导体工业生产中，常用的气体有氢气、氮气、氩气、空气。氢气等是最常用的气体。在采用三氯氢硅氢还原的西门子法的多晶硅生产过程中.作为还原剂和载流气体的氢气，不仅需要量大，而且对它的纯度要求也很高，一般为99.9999%以上.露点一55℃以下，含氧量小于3ppm。目前大部分多晶硅生产厂都采用电解氢氧化钾水溶液来得到纯氢，再经过净化后供生产多晶硅使用。但其中氢气中的杂质含量是影响半导体多晶硅材料生产的重要因素，尤其是氧和水，对半导体多晶硅的质量影响较大。干法回收氢中的CO、CH4、C02、HCI、N2等成分的影响，氧与硅的亲和力较强，在高温(1000～1200"(2)-1-"作条件下极易氧化生成二氧化硅，同时含碳化合物分解反应也使多晶硅的碳含量增高。因此探索和寻求多晶硅生长过程中，氢气纯度对多晶硅产品质量的影响因素以及采取相应的对策，已是非常必要和急切了。

　　2目前普遍多晶硅生产厂家氢气质量的状况。

　　2.1电解纯氢的质量情况：

　　大多数生产多晶硅厂家都采用电解KOH水溶液生产粗氢，再经过纯化装置，将粗氢进行除氧、脱水、脱油、干燥，最后得到纯净的电解纯氢，其产品氢的技术参数如下：电解纯氢：02≤5PPm，cI-h≤IPPm，C02≤1.5PPm，CO≤0.5PPm，N2≤60PPm，露点≤.55℃。实际电解氢中杂质的含量(见表1)。

　　

 

　　2.2干法回收氢的质量状况：

　　

 

　　从以上电解氢与干法回收氢质量对比可以看出：在成分上，干法回收氢中明显增加了02、N2、HCL、氯硅烷四种杂质，且水分含量无法检测到，露点未知。这些杂质的存在对高纯多晶硅产品质量造成严重的影响，氧、碳含量增加，硅棒表面会出现氧化现象，硅芯出现氧化夹层。同时还可能存在III族和V族杂质，对多晶硅生产中起到掺杂作用，表现在多晶硅的N型电阻率、寿命降低。以下实验可以说明：1)当干法回收氢中的HCL含量过高时，会对硅芯或硅棒表面产生腐蚀;同时当干法吸附柱长期处于饱和状态下工作时，会使吸附柱的吸附能力降低，致使HCL对活性碳中的一些有害杂质，如磷、硼、碳等元素析出，并通过氢气一并带人还原生产系统中。当干法回收氢中氯化氢含量大于0.5%以上时。多品硅这一批次的产品电阻率就会呈下降趋势，这其中的V族元素的影响性最大。可以采取实验来证明：对干法吸附柱再生8小时过程中，对排出的气体每一个半小时检测一次，进行分析，可看出各成分的递增情况(见表3)。

　　

 

　　排除检测误差的干扰，从以上检测数据可以看出，在这种状态下，吸附柱不是处于吸附过程了，而是处于再生状态。即活性炭吸附状态达到饱和.氢气继续通过来时，发生的不是HCI被吸附到活性炭，而是活性炭中的HCl解吸到氢气中，造成吸附柱前气体的HCl含量低于产品氢，其中也不排除活性炭中其它有害杂质被解吸出来。2)当干法回收氢中的水分含量过高时，在还原停炉后，多晶硅会出现五彩的氧化夹层，甚至在拉晶工序中不能成晶;同时影响多晶硅内在电学性能，甚至会造成反型的可能，P型电阻率很高，可达到几千上万Q·cm。

　　

 

　　可以采取实验来证明：当煅烧质量不好的石墨件(石墨卡瓣、石墨座)，未按严格的封装未放进干燥器中保存，受潮，则在精制SiHCI，质量不变的条件下，石墨件的ⅡI族或V族杂质在多晶硅生长过程中，挥发到多晶硅棒上，对多晶是一种掺杂剂。当所掺杂的总量足够多是，则多晶硅会出现反型，即电学参数为P型或混合型。这种多品硅往往硼检结果很高，可能是严重补偿的多晶硅产品，对半导体器件的电学性能是有不良影响的。通过以上对氢气和干法氢质量情况的研究，可以看出，目前国内多晶硅厂家采用的改良西门子法生产多晶硅工艺普遍存在杂质浓度较高的现状，一定程度上影响着多晶硅产品质量。

　　3对策

　　针对以上的干法回收氢质量问题。在目前设计的多晶硅生产系统中未提出解决方案。干法回收工艺包大多引进的美国CDI公司的工艺，国内较多厂家在脱吸塔和吸收塔的运行上还未能完全掌握此项技术，普遍运行情况并不理想，回收氢质量一直未能达标。在严格控制精制SiHCl3原料的前提下，氢气质量的因素也就制约着多晶硅的质量在短时间内无明显的稳定与提高。现就此种现象提出以下对策供参考：

　　3.1当干法回收氢中的HCL含量过高，建议采取的解决措施：

　　从干法回收氢各成分随时间的递增情况表4中可以看出，一台吸附柱在目前的使用量下，运行6小时后就已经基本饱和，通气量大约l8000立方的气体(这还要结合各企业该系统的实际情况计算得出)。但目前的工艺设定中单台运行时间8小时，也就有2个小时未能起到吸附作用，且还有可能解吸出有害杂质气体。证明吸附柱的吸附能力不够，处理能力有限。1)通过对吸附柱后产品氢气质量的多次检测，找出单台吸附柱实际的处理能力，再根据要求的进气量与进气质量等情况计算所需要增加的吸附量，核算成吸附剂的重量，再增加吸附柱一台或将现有的吸附柱换成大容量的吸附柱，需留有余量，这样通过技术改进后就可满足多晶硅生产工艺要求。2)在干法回收系统进还原工序之前，增加一套处理装置，用于处理干法氢中的HCL、02、N2、H20、氯硅烷等杂质。具体的方案可找有经验的气体净化厂家帮设计，以达到和满足处理后的供还原工艺使用氢气质量纯度要求。3)就脱吸塔和吸收塔的运行进行工艺参数的试验研究，最终达到CDI公司当初提供的运行参数，满足工艺要求。使HCL含量降低。

　　3.2当干法回收氢中的水分、02和N2含量过高，

　　建议采取的解决措施：

　　因干法回收氢中的HCL、氯硅烷在检测中会对检测设备造成损害，故其中的露点未检测，但其中的02和N2含量较高，也会对多品硅的质量造成影响。就其进入系统的可能因素主要由于管道的密封性差以及系统直接使用的备品备件干燥程度等有关，以下为解决措施：1)解决系统的密闭性，针对氮气，首先在源头上对制氮设备进行改造，保证氮气中的氧含量小于5ppm：

　　选用该用户盒能可有效防止用户端馈人系统的3HFC网的侵入干扰噪声干扰。从根本上避免噪声的侵入。(3)提高上行信号的电平，增加上行信号的抗干扰性。根据国家有关公共防辐射安全规定，上行信号的电平极限值应为114dBuv,在实际工作中我们建议用户上行电平为105dBuv.(4)将分支，分配环节与放大器屏蔽。由于上行频率低，由用户到放大器和分支器的电缆路由中，上行信号均为高电平，且无接头。电缆路由的整体抗干扰能力极强，而上行信号进入屏蔽机壳后电平下降，但出于屏蔽条件，且随即放大后上行传输，输出又是高电平，有效地防止了噪声从最容易侵人的地方侵入。

　　2.4汇集均衡的解决

　　对于上面的例子，可以将G120分支器转换为G108分支器，然后再对放大器的上行厂F行信号加内置衰减调节，电平问题就可以解决。在以后我们工作实际设计中应该注意以下几点：(1)网络设计时，应避免使用分支损耗大于12dB的分支器，尽量采用分配器作分路器件，以保证各支路上行路由的总损耗之和与电缆及分路器材传输损耗之和近似相等。下行增益可在放大器内调整。

　　总结：按上行传输设计，下行输入电平可不可低的原则。(2)网络路由最好设计为多级星型传输结构，即对称性设计。因为多级星型结构由中心到用户的分配过程正是由各用户上行逐级汇集的过程，只要保证了对称性，上行厂F行信号电平必然一致。为了保证传输系统指标，使网络更简单化，双向放大器要选用低增益放大器。严禁使用上行无增益下行为高增益的放大器。(3)正确使用双向光工作站。在双向传输条件下，要求光机能在内部对N个端口的上行电平分别调整后汇集，使上行调试在光节点处细调使各个端口回传电平一致即可，非常简单方便。

　　HFC网的侵入干扰主要由入户线缆侵入，接头侵入，主干线路的电缆侵入。所有的干扰最后汇聚到光节点，从而HFC网的上行信道形成汇聚噪声。环境电磁干扰的入侵主要途径是通过电缆屏蔽层和接头。HFC网的电缆网处在一个复杂的电磁环境中，网络结构又是树形结构，收集着各种类型的干扰信号，包括无线电干扰，用户设备产生的电磁干扰，工业交通电磁干扰等干扰。按特征分为两类：窄带连续波干扰和宽带冲击波干扰。

　　3.1窄带连续波的干扰

　　窄带连续波干扰源主要有短波无线电广播和通信及业余无线电。短波无线电发射机的工作频段是：5—30MHz,正好处于HFC网的上行信道频率范围，容易产生若干频率固定幅度起伏的窄带辐射干扰。由于无线电短波的传播是利用电离层的散射，具有多径衰落决定的幅度和相位，随昼夜和四季做周期性的随机起伏，并且受着由太阳黑子和耀斑引起的灾难性变化，例如：磁暴和电离层突然扰动现象的影响。

　　3.2宽带冲击波干扰

　　冲击干扰的来源既有认为因素，也有自然因素。与窄带连续波干扰相比，宽带冲击干扰对HFC网上行信道的工作有更大更致命的影响。宽带冲击干扰的特点是偶然性非常强，幅度大，持续期短，频带宽。其持续时间短于lOOms，大多数短于10ms。由于冲击干扰随机性强，冲击强度大，如果一旦出现就可能造成数据传输系统的突发性误码。这样容易造成HFC网络的上行信道的信号失真，CM容易掉线。4HFC网络的上行链路噪声与干扰的抑制措施HFC网络上行通道的噪声和干扰是客观存在的，通过噪声和干扰的来源分析，在实际工作中通过以下措施可以对HFC网络的反向噪声进行抑制到最低或消除这些现象。