1 研究的目的和意義

太能能級和電子級多晶硅產品對硅棒的質量要求很高，如果多晶硅產品在生產時混進甲烷等含碳化合物的話，可以測得發黑的硅棒電阻率很低，從而導致產品品質下降;另外如果有上述氣體或者其他水氣和雜質混入還原爐，那么氣體的均勻分布特性，會使得整爐硅棒發黑，或者電阻率低。

另外還原爐爐內溫度控制的不夠高、不夠均勻，使得低溫硅沉積在硅棒上，有時甚至形成像洋蔥一樣的可剝離的殼層。從而產量的品質有了極大的下降，從而增加了客戶投訴和企業利潤的下降。

因此，研究異常料的產生及解決辦法對于控制產品品質和提高企業利潤率有較大的意義。

2.1 對于夾層問題的控制

2.1.1 確定安裝硅芯的要點

每爐次裝爐前要求清理電極、瓷環以及絕緣套周圈的縫隙;每爐使用過的石墨件要求密封，與空氣隔絕。吊爐筒時，用絲扣將視孔水活接頭扣住，避免有水滴在底盤上。還原爐底盤墊圈下用無水乙醇脫水。

安裝硅芯時，要注意避免與污物接觸：硅芯車的潔凈、小車扶手的潔凈、一次性手套的及時更換以及防護呼吸器的正確佩戴。爐筒清洗時，始終保持氮氣吹掃視孔氫管線。爐筒吊開后立即給進氣管線通入氮氣，避免物料與空氣接觸。

2.1.2 操作過程控制的要求

檢查伴熱管線的投用情況及溫度是否正常。對于內漏嚴重的尾氣管線，不進行抽真空。爐筒罩好后，先通入135度的爐筒夾套水循環5min，再進行置換工作，增加抽真空的次數，目的是帶走爐壁上的少量水分。

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在置換氣密合格后，將爐內壓力降至0.15MPa，在爐筒水循環下靜致1.5h，再用純氫置換。對于尾氣閥門內漏嚴重的要提高爐內壓到0.3MPa。確認DCS的閥位狀態與現場的保持一致。

高壓啟動硅芯擊穿后，打開電解氫氣40-50m3/h，在1180-1220度以上空燒20-30min后轉換回收氫氣，此時要保證爐內溫度不波動，注意觀察電壓曲線，要求電壓波動小于20V;回收氫空燒時間到后，再打開FV0403-1前手閥（FV0403-2手閥保持關閉），緩慢打開后手閥，如爐內發現明顯有料或電壓波動超過15V應立即關閉手閥補加電流，5min后再緩慢打開手閥保證電壓波動小于20V（如電壓仍然較快上漲要立刻關閉手閥，待穩定后再重復以上步驟）。

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待FV0403-1手閥全開后，再緩慢打開FV0403-1，每次0.1%的速度開至5%，每開1%停頓2-3min;在整個過程中，要及時補加電流，保證溫度變化平穩，注意觀察電壓變化，保證電壓波動小于20V;隨著物料的逐漸提升，電流要適當補給，維持電壓曲線呈逐漸下降的趨勢。進料后觀察硅芯表面若有附著物，立即停爐后，在拆爐前進行冷洗。

2.2 通過啟爐置換流程來減少外部異常料

2.2.1 還原爐置換的方法、流程的改進

為了避免熱空氣被冷凝，在鐘罩扣上后，及時通入氮氣打開放開管線，將空氣置換成干燥的氮氣，15min后在通入冷卻水，這樣就可以避免氧化夾層的生成。

2.2.2 實驗

分別從有表面異常料的硅棒和正常硅料的表面上采樣做金屬雜質分析，收集數據如下：通過樣品分析異常料與正常硅棒表面的硅料對比，發現異常料的樣品中所含銅的含量（單位PPb）是正常硅料的200倍-2000倍，其他金屬雜質Ca、Mg、AL、Fe、Ni等對比無明顯差異。

實驗結論：多晶硅表面銅含量的異常升高，來源于CVD內的電極，電極本體為純紫銅材質，表面的鍍銀層經過打磨、受熱后逐漸脫落，電極頭的金屬銅熔點為1080度，當石墨座與電極的接觸由面接觸發展到線接觸，電流引起電極頭變形后完成是點接觸時，電極頭打火，銅瞬間汽化與反應爐內的氯化氫氣體反應生成活性極高的催化劑CuCl（氯化亞銅），Cu+HCl=CuCl+H2↑（可逆反應）CuCl作為催化劑再與物料三氯氫硅、氫氣發生化學反應，加快了氫還原反應的速度，一定的溫度和壓力下在CVD內硅棒上生成了針形狀、顆粒狀、粉末狀、柳絮狀的異常硅料，即行業內所說的表面異常。

36對棒CVD還原爐由于項數較多，運行過程中出現異常斷電后，電器復位過程中硅棒表面容易產生表面褐色硅粉沉積，不易去除，在品質上判定為異常料。異常料的銷售價格與正常料價格相差2-3萬元，對公司整體成本的下降造成嚴重的影響。

2.3 調整工藝生產中硅棒的電流增加幅度來控制異常料的產生

多晶硅生產中為了提高單爐產量，追求時間短，見效快的結果，大都采用加大反應物料流量和大幅增加電流數來實現，這樣勢必導致每對電極的負載過大，電極頭溫度急速上升，電極大批量受損。

目前要維護電極的使用壽命，控制銅的氣化反應，減少異常料的生成，必須調整工藝配方，前期控制反應物料的投入量，調整電流，控制硅棒的生長溫度，要緩慢提升電流，減少大電流對電極的沖擊，減輕電極的損失，減少電極打火的幾率。

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硅棒生長到后期時，逐漸的調低反應物料的流量，控制好物料配比，降低還原爐的總電量，控制電壓的下降幅度，多采用調整料量的方式維持硅棒的表面溫度，確保總功率的逐漸下降，使CVD內的溫場和氣場達到穩定的狀態，這樣，電極溫度會隨著氣場的穩定變化趨于穩定。

2.4 改善接觸面減少異常料

電極的形式是多樣化的，經過多種電極在CVD中的試驗，發現表面積較大的電極使用壽命較廠，將現有石墨件與電極的接觸表面積34.6m2 增加到72.8cm2，通過將原有電極的接觸面較小的電極更改為36對棒使用的還原爐電極。通過石墨件與電極的接觸面變大，硅棒的導電性能越好，電極的損失越小，出現異常料的幾率自然減小。

2.5 電極本體的改造

橫剖電極的切面，會發現電極內部的構造是由一根上水管和回水管形成的冷卻換熱系統，上水管線的長短粗細取決于電極的換熱效果，改良電極的冷卻水道，降低電極頭的發熱溫度。在原有的水道上進行延長，同時增加電極的強度，避免電極頭的受熱變形、氣化反應等。

2.6 石墨件清潔的改善降低異常料的產生

石墨座放置在電極頭上的導電介質，在CVD運行中石墨座凹槽中會附著一層黃色的聚合物質，這種物質的存在影響了石墨的導電性能，極易發生石墨件與電極頭之間的打火現象，電極頭受損，異常料生成。

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因此，在CVD停止運行時，重復使用的石墨件必須清理潔凈，保證石墨件良好的導電性，確保電流通過順暢，避免電極打火帶來的異常料損失。

3 結論

通過本次實驗總結，從理論依據上和設備及附屬件上找到了異常料的生成真正原因，從而找到解決的方法，全年外部異常率逐漸下降，避免了多晶硅生產中異常料的生成，對企業的產品質量提升邁出了重要的一步，對企業成本的再次下降做出了重要的技術貢獻。

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來源：光伏學習