摘要：多晶硅产品被广泛应用于太阳能电池及电子产品半导体中，多晶硅产品质量的优劣是当今多晶硅市场竞争的主要因素。多晶硅成品中碳含量的多少直接关系到产品质量，在多晶硅的生产过程中回收氢中甲烷含量，三氯氢硅中总碳含量，石墨与氢气在还原过程中反应生成甲烷等因素都影响着多晶硅中碳含量。本文分析了多晶硅中碳元素的产生及在生成中的控制措施使多晶硅碳含量得到有效的控制。
关键词：多晶硅；甲烷；含碳量；三氯氢硅；石墨
多晶硅是单质硅的一种形态，目前多晶硅的生产工艺有改良西门子法，硅烷法，流化床法，冶金法，等离子法。因改良西门子法生产多晶硅具有节能，降低物耗，减少污染等优点，故现在多晶硅生产企业大多应用改良西门子法。改良西门子法主要分为氯化氢合成，三氯氢硅合成，三氯氢硅精馏，CVD还原，尾气回收，产品处理，公用工程等工艺。
现在多晶硅行业的竞争不但是产量的竞争，更是质量的竞争。
多晶硅成品的质量等级分为太阳能级和电子级。其中太阳能级对碳含量的要求为：一级品≤2.5×1016，二级品≤4.0×1016，三级品≤4.5×1016【1】；电子级碳含量的要求为：电子一级＜4.0×1015，电子二级＜1.0×1016，电子三级＜1.5×1016【2】。
一、多晶硅中碳元素的来源分析
1、多晶硅在还原工序中进行化学气相沉积，氢气与三氯氢硅气体在还原炉中一定温度下发生化学气相反应，沉积在高温的硅芯上，伴随反应的不断进行，硅芯逐渐长粗，直到达到要求的尺寸大小。在反应过程中氢气与石墨在高温下会发生反应，产生甲烷气体。美国专利（专利号54611,1990年6月27日）认为石墨件是造成多晶硅碳污染源之一。在高温条件下，石墨与氢气反应形成甲烷气体，甲烷与红热的硅棒接触后会继续分解成碳和氢气。石墨中的碳就是通过这种途径进入多晶硅的。
2、多晶硅在还原炉中发生化学气相反应，反应原料为氢气与三氯氢硅。氢气为尾气处理后的回收氢气，回收氢中大多含有CO,CO2,CH4,SiH2CL2等杂质，如果回收氢中甲烷含量太高会影响到多晶硅成品中碳含量。甲烷沉积体系中，初期的诱发反应为：CH4→CH3+H－ +42kJ/mol 在氢气浓度较高的气氛中，氢气在碳表面形成稳定的C-H络合物，使沉积基体上的活性点失活。因此氢气对热解碳沉积过程有抵制作用。对于CH4碳沉积，反应初期，甲烷热解碳CVD控制步骤是气相反应。与硅沉积的控制步骤是一样的。因此无论操作条件如何变化，热解碳沉积率也是非常小。此外，由于还原炉内存在大量的氢气，导致碳表面反应中心失活，从而抑制了反应初期的表面反应发生。如果固体基体是纯度很高的硅棒，且有大量氢气存在条件下，热解碳的沉积率为零。
作者：张娜