超快激光在多晶硅还原炉的应用技术优化研究

张永良,李有斌,陈叮琳,李宏盼

(青海黄河上游水电开发有限责任公司 新能源分公司,青海 西宁 810007)

超快激光是激光技术的一种,超快激光的脉冲波高于飞秒(fs),当超快激光作用到材料表面时,可以轻松实现材料精密抛光[1-3],能够完成极小尺寸下的局部精密抛光,是一种非接触式的清洗方法[4-6]。但无法充分呈现超快激光技术的应用效果。为此,基于超快激光技术的特点,本文研究超快激光技术在电子级多晶硅还原炉的应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验设备与样本

(1)超声清洗机,深圳市润东机电设备有限公司;热风干燥箱,东莞心舟工业设备有限公司;磁力搅拌器,北京北德科学器材有限公司;高温烘箱,成都西腾试验设备有限公司;手持式静电喷粉机,台州力工电器设备厂;全自动卧式螺旋离心机。

(2)无水乙醇(分析纯,99.9%),上海昊海生物科技股份有限公司;聚二甲基硅氧烷(分析纯,99.9%),广州市蓝凤化工有限公司;无水乙醚(分析纯,99.9%),山东燃奥石油化工有限公司;二甲基硅油(分析纯,99.9%),上海执细化工有限公司;正己烷(分析纯,95%),廊坊市拓迪化工有限公司;三氯化硅(纯度98%),山东景科化工有限公司;二氧化硅粉(纯度99.9%),湖北灿森化工有限公司;蒸馏水,青岛城阳盛源达蒸馏水加工厂。

(3)在还原炉运行一个周期后,基盘及钟罩表面均会产生一层土黄色粉末,主要成分为无定形硅粉。因此需要制作含有无定形硅粉和多晶硅颗粒的还原炉基盘,作为电子级多晶硅还原炉污染试件1;制作含有氯硅烷水解物和多晶硅颗粒的还原炉基盘,作为电子级多晶硅还原炉污染试件2;制作含有大量不同粒径的多硅晶颗粒物与碎屑的还原炉基盘,作为电子级多晶硅还原炉污染试件3;制作含有硅氧化物粉尘和多硅晶颗粒的还原炉基盘,作为电子级多晶硅还原炉污染试件4;制作含有有机硅油和多硅晶颗粒的还原炉基盘,作为电子级多晶硅还原炉污染试件5,具体制作步骤:

第1步:选取质量大小相同的5个还原炉基盘部件放入含有无水乙醇的超声清洗机中进行清洗,清洗时间为5 min,将基盘放入热风干燥箱,使用过滤净化的高纯度氮气吹干基板表面,避免再次污染。

第2步:选取10 g聚二甲基硅氧烷(硅源)与60 mL无水乙醚溶液,利用磁力搅拌器将硅源溶解在无水乙醚中,形成含有硅源溶液。在混合搅拌过程中,观察溶液变得透明且没有明显颗粒或团块时,为完全溶解状态,停止搅拌。将硅源溶液置于喷雾器中,选取一个清洗风干完成的基盘部件,将硅源溶液均匀地涂覆于基板表面。涂覆了硅源溶液的基板放入预热至60 ℃的高温烘箱中,加热时间为2 h,对基盘表面的硅源溶液作固化处理,以此得到含有无定形硅粉的还原炉污染试件1。

第3步:选取8 g三氯化硅与50 mL蒸馏水,将规格为100 mL的玻璃容器放置在通风处,玻璃容器中加入蒸馏水后,将三氯化硅缓慢加入水中,同时利用玻璃棒匀速搅拌反应物,在室温下进行水解。当三氯化硅完全水解成硅酸时,水溶液的状态将从一开始的浑浊逐渐转变为透明无色溶液,停止搅拌。并在热风干燥箱中选取一个清洗风干完成的基盘部件,将氯硅烷水解物均匀涂覆在基盘部件上,放入预热至43 ℃的高温烘箱中,加热时间为1 h,对基盘表明的水解物作固化处理,形成胶状沉淀物,以此得到含有氯硅烷水解物的还原炉污染试件2。

第4步:选取所制备的聚二甲基硅氧烷溶液,质量为10 mL,以及二氧化硅粉末质量为15 g 。选取一个清洗风干完成的基盘部件,将聚二甲基硅氧烷溶液均匀地涂覆在基盘上,并且在溶液未干燥前,利用手持式静电喷粉机将高纯度二氧化硅粉末均匀地撒布在基盘上,得到含有二氧化硅粉尘的还原炉污染试件4。

第5步:选取15 mL高纯度二甲基硅油,利用刷子将硅油均匀地涂抹在完成清洗风干后的基盘部件上,涂覆次数为4次,每次刷涂的时间间隔为5 min。涂覆完毕后将基盘放至45 ℃的高温烘箱中,烘干时间设定为15 min,以此得到含有甲基硅油油脂的还原炉试件5。

第6步:选取70 g高纯度二氧化硅粉末与240 mL正己烷溶剂,为了获取不同粒径的多硅晶颗粒,需要制备不同浓度的二氧化硅溶液。选取4个玻璃量杯,分别将10、15、20T和25 g的二氧化硅粉末与60 mL的正乙烷溶剂进行混合。

利用全自动卧式螺旋离心机对4种不同质量的二氧化硅溶胶进行离心分离,将离心分离后的上清液倒掉,收集沉淀中的多硅晶颗粒,并将多硅晶颗粒混合,放置在50 ℃的高温烘箱中,烘干时间为1 h,获取不同粒径大小的多硅晶颗粒。选取多硅晶颗粒20 g,将其附着在清洗风干完成后的还原炉基盘上,获取电子级多晶硅还原炉污染试件3。并将剩余多硅晶颗粒等量附着在还原炉污染试件上,得到5个电子级多晶硅还原炉污染试件。

1.2 基于有限元模型的清洗方法

1.2.1清洗过程

超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备结构如图1所示。

图1 超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备结构

超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备运行流程:

第1步:将需要清洗电子级多晶硅还原炉配件推入到超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备内,利用航架将电子级多晶硅还原炉配件固定。

第2步:使用工业CCD相机拍摄超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备机械手图像,获得当前机械手位置坐标。

第3步:启动超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备,依据清洗程序,利用机械手1前端处理组件清洗电子级多晶硅还原炉配件的电极触头,利用机械手2和机械手3清洗电子级多晶硅还原炉清洗设备的底盘平面和电极端。

第4步:对电子级多晶硅还原炉设备清洗完成后,人工将电子级多晶硅还原炉配件推出,并将超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备的航架推离,完成电子级多晶硅还原炉设备清洗过程。

在超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备内,超快激光清洗作用过程如图2所示。

图2 超快激光清洗过程

1.2.2还原炉污染试件清洗过程仿真还原

设置还原炉污染试件清洗模型的初始温度为21 ℃,结合还原炉污染试件导热的非稳态特征,以数学表达式的形式描述还原炉污染试件清洗模型的初始边界条件:

G0(x,y,z)|t=0=G(x,y,z,t)

(1)

式中:G0(x,y,z)|t=0表示原炉污染试件清洗模型的初始边界条件;t表示时间;x、y、z表示坐标轴的3个方向。当数值为0时,则有G0=G=21C°。

设置还原炉污染试件清洗模型的换热边界条件,其表达公式:

Q=hΔT

(2)

式中:Q表示还原炉污染试件受到超快激光冲击时的内向热通量;ΔT表示超快激光和还原炉污染试件的温度差值;h表示换热系数。

超快激光在清洗还原炉污染试件时的辐射换热边界方程表达式:

(3)

在二维和三维情况下,激光作用到还原炉污染试件上的高斯热源公式:

(4)

(5)

式中:I、I′分别表示二维和三维还原炉污染试件上的高斯热源;P表示超快激光功率;r超快激光半径;rc表示还原炉污染试件计算单元和超快激光中心距离;q、v分别表示超快激光输入热量和激光移动速度;a为高斯分布系数;x为激光移动方向坐标;W表示清洗周期时间。

依据还原炉污染试件的参数,在COMSOL有限元软件内建立还原炉污染试件模型;还原炉污染试件的参数如表1所示。

表1 还原炉污染试件参数Tab.1 Parameters of sample contaminated by reduction furnace

构建完成还原炉污染试件有限元模型后,划分其网格,并设置有限元模拟测点位置,具体如图3所示。

图3 还原炉污染试件测点位置

设置完还原炉污染试件测点位置后,在有限元软件内模拟超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备清洗还原炉污染试件过程。为更清楚呈现超快激光清洗还原炉污染试件过程,在超快激光光源为600 W情况下,设置超快激光的扫描频率和扫描速度,具体如表2所示。

表2 超快激光清洗还原炉污染试件扫描频率和扫描速度Tab.2 Scanning frequency and scanning speed of contaminated samples in ultra-fast laser cleaning reduction furnace

至此,还原炉污染试件清洗过程及参数。

2 结果与分析

清洗电子级多晶硅还原炉污染试件后,分析超快激光技术在子级多晶硅还原炉的应用效果。

以污染试件1为试验对象,在有限元软件内模拟使用超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备对其进行清洗,超快激光的功率、重复频率和扫描速度如表2所示。然后以利用电子扫描电镜的方式呈现该污染试件的超快激光清洗效果,结果如图4所示。

(a)清洗前 (b)清洗后图4 污染试件1超快激光清洗结果

由图4可知,在该污染试件表面分布着较大的多晶硅颗粒,而使用超快激光对该污染试件进行清洗后,该污染试件上颗粒较大的多晶硅基本被去除。

以污染试件2某一区域作为试验对象,从超快激光技术清洗电子级多晶硅还原炉污染设备时,去除不同直径的多晶硅粒子角度展开试验,分析超快激光技术清洗电子级多晶硅还原炉污染设备能力,结果如图5所示。

(a)清洗前

由图5可知,使用超快激光对污染试件2进行清洗后,该试件区域内颗粒直径大于0.15 μ m左右的多晶硅粒子数量均为0;而颗粒直径为0.02～0.15 μ m的多晶硅颗粒数量随着颗粒直径的变化呈现下降分布,说明颗粒越大的多晶硅颗粒被去除的较多。

以5个污染试件为试验对象,在有限元软件内模拟超快激光对其进行清洗后,分析在不同清洗次数、重复频率和扫描速度情况下,超快激光清洗污染试件上多晶硅残留率,结果如表3所示。

表3 5个污染试件不同清洗次数多晶硅颗粒残留率Tab.3 The residual rate of polysilicon particles in 5 contaminated samples with different cleaning times

由表3可知,使用超快激光清洗5个污染试件时,随着清洗次数的增加,5个污染试件表面残留多晶硅颗粒百分比呈现下降趋势。

3 结语

本研究超快激光技术在电子级多晶硅还原炉中的应用,在有限元软件模拟环境下,通过设置不同试验环境,利用超快激光电子级多晶硅还原炉清洗设备对制备的污染试件展开试验。结果表明:超快激光技术可有效去除电子级多晶硅还原炉污染试件表明的多晶硅颗粒能力较强,具备较好的应用效果。