国内外半导体级多晶硅生产技术差距分析

国内外半导体级多晶硅生产技术差距分析

董鹏

江苏通标环保科技发展有限公司 江苏徐州 221000

摘要：相较于国内已经发展较为成熟的光伏级多晶硅而言，半导体级多晶硅在纯度上达到11N(99.999999999%)-12N(99.9999999999%），因为下游集成电路行业制程的特殊需求，对于多晶硅原料中的施主杂质浓度、受主杂质浓度、碳浓度、氧浓度、基体和表面金属杂质浓度等关键指标要求严格，同时对产品的稳定性也提出了非常苛刻的要求，这主要体现在集成电路行业对每一种原材料长达一到三年的验证周期，这使得半导体级多晶硅从设计理念、装置建设、生产质量管理体系都体现出与其他行业截然不同的严谨的集成电路行业逻辑，能够与光伏级多晶硅明显区分。

关键词：半导体；多晶硅

1 差距分析

1.1 产品显性指标

首先，在国内电子级多晶硅一级品的施主杂质含量为150ppta（规格限）、受主杂质含量为50ppta（规格限），而国外施主杂质的含量一般小于30ppta、受主杂质含量小于10ppta，这对于国内精馏塔的分离精度、分离效率及提纯工艺提出更高的要求。此外，国内企业生产线的原料波动较大，原料物料运输管线材质等级低、检测仪器检测限高等问题，有时无法表明是否真正达到原料使用需求；在国外，作为半导体级多晶硅生产线，要求系统平稳，原料波动进行严格控制，基本上属于平稳曲线波动方式，不允许锯齿状的波动，剧烈的原料波动将会导致提纯系统中的杂质含量波动频繁、剧烈，而无法得到超高纯的三氯氢硅。

另外，半导体级多晶硅对碳含量的控制也十分严格，国标一级品的碳含量要求为80ppba，而国外至少要控制在20ppba以下。在制造工序中，从还原车间产出的硅棒运转至后处理车间，工艺流程中涉及了破碎、筛分、酸洗、干燥及包装等工序。这些工序中，硅料将与较多树脂类材料接触，若这些材料选择或表面杂质处理不当，会增加多晶硅的碳元素的增加。此外，从氢化工序、精馏工序、还原工序到尾气回收工序，对于一切可能引入碳元素的材料均需全面识别其潜在失效的风险。

其次，半导体级多晶硅的体金属国外一般控制在0.1ppbw以下，国标一级品的要求小于1ppbw即可，国内企业目前一般可控在0.5ppbw以下，与国外仍有差距。因此，整个半导体级多晶硅项目与物料接触的材料仍有着极其严格的要求，包括还原炉的材质、表面处理、清洗等环节。

1.2 产品隐性指标

目前，国内半导体级多晶硅企业在产品的显性指标上已取得了很大突破，个别指标可比肩国际一流水平，但对于隐性指标的研究，国内企业尚未系统研究，而国外一流企业则研究比较深入，并可以在企业运营中指导生产。

应该看到，对于集成电路上下游产业链的产品供应特点而言，不仅产品质量要求高，还要长久保持质量稳定，因为下游对上游产品质量的容错率极低，这就需要半导体级多晶硅生产企业具备高超且稳定的管控能力。对于8英寸以上，12英寸晶圆用原生多晶硅料，其显性指标的达标，并不代表下游拉单晶能顺利成功。因为在利用多晶硅料来拉制单晶硅棒时，多晶硅料的结晶形貌直接影响其在拉晶坩埚内的熔化参数（温度、速度）等，例如多晶硅棒经过破碎后出现长条料、尖峰料、隐裂料等现象，说明硅料的隐性指标不达标，降低了下游企业拉单晶的成功率。尤其是，对于直拉法及区熔法的制造单晶的过程中，对多晶硅的晶粒尺寸、结晶取向、内部应力等特性值的选择十分重要。以定性及定量来评估多晶硅有助于提高拉晶成功率。

为此，国内企业就半导体级多晶硅隐性指标可进行研究的方向主要包括晶粒尺寸、晶体粗糙度、晶界类型及特性、密勒指数及残余应力等。

1.3 关键设备及材料

目前国内与国外对于半导体级多晶硅生产用的关键设备及材料也存在差异，主要体现在材料的选择及制造工艺，例如核心反应设备还原炉，在还原反应系统中，高纯三氯氢硅与氢气的最高反应温度可达到1100℃左右，在如此高温的条件下，金属元素与氯硅烷经过一系列反应生成硅铁化合物，这种化合物在高温条件下相对稳定，不易去除。因此，需要对还原炉内部每个结构进行特殊处理。目前国内利用爆炸焊的方法制备纯银钢复合板，并将其制备成多晶硅反应炉钟罩，高纯银还原炉筒内壁可阻止金属材料中的杂质逸出，在生产运行中提高了产品质量，但在实际生产运行中仍存在瑕疵，需要在制造细节上继续优化。相比于国内，国外具有更成熟的经验，在焊接方法及材料的选择上更加合理。

另外，在半导体级多晶硅制造工序中，从还原车间产出的硅棒运转至后处理车间，工艺流程中涉及了破碎、筛分、酸洗、干燥及包装等工序。这些工序中，硅料将与大量的树脂类材料接触，若这些材料选择或表面杂质处理不当，会增加硅料表面污染的风险。对于这些树脂材料，国外一流企业对这些树脂材料的选择及使用要求更为苛刻，对其研究也十分深入。目前国内企业仅关注其引入碳杂质的风险是不充分的，还要关注这些树脂材料中杂质元素的含量。因为与硅料表面接触的树脂材料，其表面杂质浓度的十分之一，约为硅料表面的杂质污染。因此，对于半导体级多晶硅最终产品，需要使与其表面接触的树脂材料杂质浓度抑制得非常低，这不仅需要选择合适材料，还需要进行严格来料检验。

1.4 产品质量稳定性

国外一流企业能够稳定、持续地生产半导体级多晶硅产品，其产品质量能够很好地维持在一定范围以内。虽然，国内企业现有的半导体级多晶硅部分指标已达到国际一流水平，但产品的质量不够稳定，存在选批次供应产品的问题，不同炉子、不同炉次生产的多晶硅，同一炉内不同硅棒，产品质量存在差异，而且这种差异有时很难找出原因。集成电路硅片企业对其上游多晶硅原料的使用要求十分严格，在验厂过程中，对于企业的质量体系、工艺流程、设备材料、洁净环境等各个环节的审查多达上百条，而产品实现大批量供应则需要一到三年的验证周期。

2 建议措施

针对上述存在的差距，首先应加强企业内部的基础性研究，国内企业普遍对基础研究投入得比较少，且存在引进复制思想，故缺乏对关键技术、关键材料上的研究创新。同时，企业应加强与供应商的联合开发，发挥各自特长优势，填补国产设备、材料与国外差距的短板。其次，企业应加强检测技术的开发，保持对前瞻分析方法、分析手段的学习，提高企业对过程产品的分析能力。最后，企业应加强人才的培养及储备，目前国内半导体级多晶硅生产技术人才十分短缺，由于半导体级多晶硅项目从建设、生产运营至通过下游客户验证至少要经历5年的时间，人才的成长周期较长，故人才的培养及储备尤其重要。

3 结语

了解国内外半导体级多晶硅生产技术水平的差距，有利于推动国内半导体级多晶硅企业的技术创新。当前集成电路产业以其重要的战略地位逐渐成为国际竞争的主战场、全球关注的核心焦点，在此新形势下集成电路关键基础材料技术发展步入新阶段，我国超大规模集成电路用硅料的市场优势和内需潜力将转变为最大优势，构建完整的产业链，有利于集聚创新要素的“虹吸效应”，为我国集成电路产业带来难得的发展机遇。

参考文献

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