第2期2017年4月
No.2
April，2017
第44卷 第2期Vol.44 No.2
0 引言
硅芯作为改良西门子法工艺生产多晶硅，还原炉内多晶硅料沉积的载体，它的表面洁净程度直接影响到多晶硅成品的品质。硅芯清洗目前通过人工冲洗然后进酸洗机（包括酸腐蚀、纯水漂洗、热风干燥等工序）清洗来达到清洗目的。由于酸在清洗中的反应消耗，为了保证清洗质量要求清洗完1200根硅芯后更换新酸。通过对沾污的类型以及清洗原理进行分析探讨，并采取相应的工艺改进措施；达到节约用酸量，减少排放，改善清洗质量的目的。1 硅芯沾污的类型及来源 硅芯经过去头尾、线切割、脱胶、锥磨等工序加工至合格尺寸形状，加工中形成的沾污大致可分为三类：颗粒沾污，有机物沾污，金属元素的沾污，按目前的标准清洗工艺一次难以清洗干净，需延长酸腐蚀时间或重复酸酸腐蚀以保证清洗质量，不仅增加了酸的用量和清洗时间，且使硅芯的外形尺寸变小造成尺寸不合格。2 清洗方式及分类
目前硅片和硅料清洗方法分为物理清洗和化学清洗两种。化学清洗有：RAC 清洗（采用NH4OH （NH3·H2O ）+H2O2+H2O ，HCL+H2O2+H2O 湿式化学清洗），混酸清洗（HNO3+HF ），HF 气相干洗；物理清洗方法有声波清洗，高压喷洗，擦拭清洗等。
颗粒沾污：运用物理方法可采用机械擦洗或超声波去除≥0.4μm 的颗粒，利用兆声波可去除≥0.2μm 的颗粒。有机物沾污：可通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗去除。金属元素的沾污：（1）沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅料表面。（2）带正电的金属离子得到电子后面附着到硅片表面。去除方法有：a ．使用强氧化剂使附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。b 用无害的小直径强正离子（如H+）来替代吸附在硅片表面的金属离子，使之溶解于清洗液中。c ．用大量去离水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。3 工艺改进措施
现有硅芯清洗的工艺流程如下：人工冲洗（5min ）→硅芯装夹→酸腐蚀 （浸泡+旋转+循环 HF+HNO3 3min ）→纯水漂洗 （喷淋+鼓泡+旋转+快排 3min ）→纯水漂洗 （溢流+水下潜送 3min ）→热纯水漂洗（鼓泡+快排+喷淋3min ）→热风干燥（热氮气 10～20min ）→检验→包装入库。
现有工艺主要是利用酸腐蚀的化学方法来达到清洗目
的。由于能将硅芯表面的二氧化硅和硅溶解生成氯化硅，但单纯的对硅棒的腐蚀作用极慢，又由于浓硝酸能将硅氧化膜（sio2），但氧化膜是难溶物质，既不溶于水，也不溶于硝酸，因此
单纯的硝酸也不能得到对硅芯进行腐蚀清洗的目的。然而在和浓硝酸的混合腐蚀液中，首先将硅芯及横梁表面的二氧化硅溶解，然后硝酸使硅芯及横梁表面单质硅氧化为二氧化硅，之后又将硝酸氧化产生的这层氧化膜溶解掉，两种酸如此交替作用从而使硅芯表面剥落掉一层，即可实现清洁硅芯的目的，通常我们是将硅芯及横梁在硝酸和的体积比为5：1的浓硝酸和混合液中进行腐蚀清洗。其化学反应式如下：
Si + 6HF （浓） + 4HNO3（浓） = H2SiF6 + 4NO2 + 4H2O + 热量
通过以上分析及查阅资料表明，采用多种清洗方法组合或串联的方式可以达到更好的清洗效果。目前工艺的人工冲洗随意性大，存在盲区，表面附着的颗粒无法冲洗干净，使下一道工酸腐蚀工序用酸量增加。经讨论后拟用以下三种方案取代人工冲洗：（1）高温鼓泡清洗：将硅芯用高压热水喷淋二十分钟，外加鼓泡同时挂蓝360度滚动来进行清洗。（2）高压喷洗：采用高纯去离子水作为介质以2~3MPa 的高压经喷嘴喷射到硅芯各个表面加以清洗。通过喷嘴的喷射作用硅芯表面不易产生划痕和损伤，同时通过调节喷嘴到硅芯的距离及角度或加入防静电剂防止静电的产生。（3）超声波清洗：超声波清洗是基于空化效应，在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动产生数以万计的微小气泡。气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，在正压区迅速闭合，闭合过程形成的瞬间高温、高压不断冲击物件表面，使物件表面及缝隙中的污物迅速剥离。3.1 超声波清洗的数据及效果
表1 超声波清洗的数据
频率（KHz ）时间（min ）
20 KHz 28 KHz 40 KHz 5×O ×
10√√×20√√
×
备注：清洗效果：差（×）一般（O ）好（√）
作者简介：辛钧启（1984— ），男，汉族，江西新余人，本科，助理工程师；研究方向：光伏硅科技。
硅芯清洗工艺的改进
辛钧启，吴一兵，乜生良
（江西赛维LDK光伏硅科技有限公司， 江西 新余 338000）
摘 要：硅芯清洗是为了清除加工过程中形成的沾污，以保证硅芯进入还原炉时的洁净度。通过对沾污的类型以及清洗原理进
行分析探讨，并采取相应的工艺改进措施；达到节约费用，减少排放，改善清洗质量的目的。关键词：清洗；超声波；科技进步
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No.2
April，2017
现代盐化工
Modern Salt and Chemical Industry
图1 清洗效果比较
从表1实验数据分析20~28 KHz 的频率较适合硅芯的清
洗，时间越长清洗效果越好，但考虑到长时间超声波清洗对硅芯有一定的损伤以及提高工作效率，合适的清洗时间为10 min 左右。
3.2 酸腐蚀工艺参数的确认
从反应方程式上分析HF 和HNO3的理论摩尔比为3:2，但实验证明V （HF ）:V （HNO3）=1: 5（摩尔比为3:8.4）的清洗效果更好。腐蚀时时间过长对硅芯尺寸损耗大且增加了用酸量，时间过短表现为硅芯表面出现泛黄、有白水迹等异常现象；腐蚀温度过高出现表面腐蚀出黄斑现象，太低则影
响反应进行。
如表2—3所示，实验数据表明以下工艺参数较为适合：腐蚀时间为40s ，腐蚀温度为30℃，酸的配比为V （HF ）:V （HNO3）=1:5
3.3 工艺优化前后有效清洁硅芯数量对比
如表4所示，数据表明采用优化工艺及参数后，有效清洗硅芯数量从以前平均的1129.1根增加到 2529根。4 结语
改进后的硅芯清冼工艺采用无污染的物理方法作为预清洗，可有效去除硅芯表面附着的颗粒；用酸量为原来的50%，减少了排放和环境污染；使用自动化设备降低了工人的劳动强度。
[参考文献]
[1] 卫晓冲，张 峰，田 娜.硅芯硅棒自动清洗设备的研制[J].电子工业专用设备，2011，40（7）：28-30.
[2] 孟 超，胡子卿，常 志，等，申璐青.全自动太阳能硅片清洗机的研制[J].电子工业专用设备，2013（5）：16-18，45.
[3] 卿前茂，姜莉莉，周 鑫，等.发动机连杆高压喷淋清洗机的研制[J].山西机械，2012（5）：104-105，108.
Improvement of silicon core cleaning process
Xin Junqi, Wu Yibin, Nie Shengliang
(Jiangxi LDK LDK photovoltaic silicon technology Co., Ltd., Jiangxi 338000, China ）
Abstract: silicon core cleaning is to clear the process of the formation of pollution, in order to ensure the silicon core into the oven when
the cleanliness. Through the analysis of the type of contamination and the principle of cleaning, and take corresponding measures to improve the process to achieve cost savings, reduce emissions, improve the quality of cleaning purposes.Keywords: Silicon core cleaning; ultrasonic; technology improvement
表2 腐蚀温度（25℃）的酸腐蚀工艺参数
酸的配比（体积比HF:HNO ）腐蚀时间（s ）清洗效果酸的配比（体积比HF:HNO 腐蚀时间
（s ）清洗效果
酸的配比（体积比
HF:HNO
腐蚀时间（s ）清洗效果
1:1.520×1:320×
1:520O 1:1.530×1:330×1:530O 1:1.540×1:340O 1:540O 1:1.550
O
1:3
50
O
1:5
50O
表3 腐蚀温度（35℃）的酸腐蚀工艺参数
酸的配比（体积比HF:HNO ）腐蚀时间（s ）清洗效果酸的配比（体积比HF:HNO 腐蚀时间
（s ）清洗效果
酸的配比（体积比
HF:HNO 腐蚀时间（s ）清洗效果 1:1.5
20×1:320O 1:5
20√1:1.530×1:330√1:530√1:1.540O 1:340√1:540O 1:1.5
50
O
1:3
50
O
1:5
50
O
备注：清洗效果：差（×）一般（O ）好（√）
表4 艺优化前后有效清洁硅芯数量对比批次数量（根）旧
数量（根）新
批次数量（根）旧
数量（根）新
批次数量（根）旧
数量（根）新
11080242051272244891240276021224266461032264010
1056
2472
311762505798225104
1199
2375
8
1030
2496
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