三氯氢硅氢还原制备多晶硅

改良西门子法相对于传统西门子法的优点主要于： 改良西门子法相对于传统西门子法的优点主要于： 西门子法的优点主要于 1.节能：由于改良西门子法采用多对棒、大直径还原 节能： 节能 由于改良西门子法采用多对棒、 可有效降低还原炉消耗的电能； 炉，可有效降低还原炉消耗的电能； 2.降低物耗：改良西门子法对还原尾气进行了有效 降低物耗： 降低物耗 的回收。 的回收。改良西门子法将尾气中的各种组分全部 进行回收利用， 进行回收利用，这样就可以大大低降低原料的消 耗。 3.减少污染：由于改良西门子法是一个闭路循环系统， 减少污染： 减少污染 由于改良西门子法是一个闭路循环系统， 多晶硅生产中的各种物料得到充分的利用， 多晶硅生产中的各种物料得到充分的利用，排出 的废料极少，相对传统西门子法而言， 的废料极少，相对传统西门子法而言，污染得到 了控制，保护了环境。 了控制，保护了环境。 多晶硅制备还有如二氯二氢硅分解法、 多晶硅制备还有如二氯二氢硅分解法、四氯化 硅还原法、四氯化硅热分解法； 硅还原法、四氯化硅热分解法；四氯化硅锌还原 法等 .
3）单晶硅 ） 从液体凝结成固体的过程叫结晶， 从液体凝结成固体的过程叫结晶，在结晶过程 中，我们设法控制使每个微小的晶粒都沿着相同 的单一方向生长，生长出的晶体， 的单一方向生长，生长出的晶体，结晶方向是一 致的，整个晶体的原子排列是有规则的周期性的， 致的，整个晶体的原子排列是有规则的周期性的， 这样的晶体叫着单晶硅。 这样的晶体叫着单晶硅。
三氯氢硅、四氯化硅、 三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅 主要性能参数 • 三氯氢硅
• 气体密度：6.5g/l（标准状态） 沸点：31.5℃ 气体密度：6.5g/l（标准状态） 沸点： 物料性质：常温下纯净的三氯化硅是无色、透明、 物料性质：常温下纯净的三氯化硅是无色、透明、 挥发性、可燃液体， 挥发性、可燃液体，有较四氯化硅更强的刺鼻气 其化学性质如下： 味。其化学性质如下： • 1）易水解、潮解、在空气中强烈发烟，生成HCl 易水解、潮解、在空气中强烈发烟，生成HCl H2，HCl遇水立即转化为盐酸 遇水立即转化为盐酸， 和H2，HCl遇水立即转化为盐酸，盐酸具有很强 的腐蚀性；H2易燃易爆 易燃易爆。 的腐蚀性；H2易燃易爆。 • 2）更易挥发、更易气化、更沸点低； 更易挥发、更易气化、更沸点低； • 3）易着火、易爆炸、着火点28℃、着火温度 易着火、易爆炸、着火点28℃ 28℃、 220℃，燃烧时产生氯化氢和氢气； 220℃，燃烧时产生氯化氢和氢气；
3.半导体硅材料的用途： 半导体硅材料的用途： 半导体硅材料的用途 1）用作电力整流器和可控硅整流器 ）用作电力整流器和可控硅整流器; 2）用作硅二极管； ）用作硅二极管； 3）生产晶体管及集成电路 ）生产晶体管及集成电路; 4）生产太阳能电池。 ）生产太阳能电池。 5）光伏发电等。 ）光伏发电等。
• 四氯化硅
• 气体密度：7.59g/l（标准状态） 沸点： 气体密度：7.59g/l（标准状态） 沸点： 57.6℃ • 物料性质：常温下纯净的四氯化硅是无 物料性质： 透明油状液体、比重较大、 色、透明油状液体、比重较大、有刺鼻 气味。其化学性质如下： 气味。其化学性质如下： • 1）易水解、潮解、在空气中强烈发烟， 易水解、潮解、在空气中强烈发烟， 生成HCl 遇水立即转化为盐酸， HCl， 生成HCl，遇水立即转化为盐酸，盐酸 具有很强的腐蚀性； 具有很强的腐蚀性； • 2）易挥发、易气化、沸点低； 易挥发、易气化、沸点低； • 3）易与氨作用生成浓雾。 易与氨作用生成浓雾。
第二节 高纯多晶硅生产的工艺简介
目前世界上的多晶硅生产工厂主要采用两种方 法制备多晶硅。一种是硅烷法：另一种是改良西 法制备多晶硅。一种是硅烷法： 门子法。 门子法。 硅烷法: 一 、硅烷法 其原理是在加热的硅芯上（低于用900℃）用 其原理是在加热的硅芯上（低于用 ℃ 硅烷（ 硅烷（SiH2）热分解生产多晶硅。 ）热分解生产多晶硅。 硅烷法制取多晶硅的热分解反应如下： 硅烷法制取多晶硅的热分解反应如下： SiH2（气）＝ （固）＋ （ ）＝Si（ ）＋2H2气） 气 二、 改良西门子法 多晶硅生产的西门子工艺， 多晶硅生产的西门子工艺，其原理就是在 1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯 ℃ 氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。 氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。
5) 硅能与 硅能与Cu2+、Pb2、Ag+、Hg2+等金属 、 、 、 等金属 离子发生置换反应， 离子发生置换反应，因此硅能从这些金属 离子的盐溶液中置换出金属。 离子的盐溶液中置换出金属。 6）硅能溶解在熔融的铝、金、银、锡、铅等 ）硅能溶解在熔融的铝、 金属中，形成合金。 金属中，形成合金
第三节 三氯氢硅氢还原制取多晶硅工艺 一、三氯氢硅氢还原反应基本原理 用氢气作为还原剂， 用氢气作为还原剂，在1100－1200℃下 － ℃ 还原SiHCI3生成多晶硅，是目前多晶硅生产 生成多晶硅， 还原 生成多晶硅 的主要方法。由于氢气易于净化， 的主要方法。由于氢气易于净化，而且在硅 中的溶解度极低， 中的溶解度极低，所以用氢气还原生产的多 晶硅较其他还原剂（如锌、 晶硅较其他还原剂（如锌、碘）所制得的多 晶硅纯度要高得多。 晶硅纯度要高得多。
三、与硅材料生产相关的一些基本概念
1．半导体纯度的表示方法 半导体纯度的表示方法 1）几个九： ）几个九： 通常半导体材料的纯度用几个九 几个九来表示 通常半导体材料的纯度用几个九来表示 . 2）PPm、PPb、PPt： ） 、 、 ： 一般以这种方式来表示半导体材料中某种杂 质的含量 .
2 . 工业硅、多晶硅、单晶硅 工业硅、多晶硅、 1）工业硅 ） 一般指含硅量为95－ ％纯度的结晶硅， 一般指含硅量为 －99％纯度的结晶硅，由于含有较多 的金属杂质，因此也叫硅铁或金属硅。 的金属杂质，因此也叫硅铁或金属硅。 2）多晶硅 ） 一般习惯地将还原沉积出的高纯硅叫多晶硅。 一般习惯地将还原沉积出的高纯硅叫多晶硅。
3.在光和热的作用下，能使电子激发，从而使导电 在光和热的作用下，能使电子激发，
性显著增加的热敏性、光敏性等特点。 性显著增加的热敏性、光敏性等特点。 半导体材料大致可分为以下几类： 半导体材料大致可分为以下几类： 1)元素半导体：如硅、锗、硒、镓等单质元素； 元素半导体：如硅、 镓等单质元素； 2)化合物半导体：如二元化合物砷化镓、砷化铟、 化合物半导体：如二元化合物砷化镓、砷化铟、 三元化合物CuAIS2、AgInSe等； 三元化合物 、 等 3)固溶体半导体：如CaAs-GaP； 固溶体半导体： ； 4)玻璃半导体：由无机氧化物和过渡金属离子组成 玻璃半导体： 的氧化物半导体以及非氧化物玻璃半导体。 的氧化物半导体以及非氧化物玻璃半导体。
二、三氯氢硅氢还原反应基本工艺流程
冷凝器 来自精馏工 序 蒸 发 器
F
L
氢 气 放 空 补 充 电 解 氢
蒸 发 器
F
还原炉
P T
P
P
蒸 发 器
冷却水 系统
多 晶 硅
热水制 备
回收H2
回收至合成工序 回收氯硅烷至精 馏
Leabharlann Baidu
CDI 尾气回收 系统
SiHCI3氢还原工艺流程示意图
SiHCI3氢还原制备多晶硅主要工序包括混合气 氢还原制备多晶硅主要工序包括混合气 氢还原制备多晶硅主要工序包括 制备系统、氢还原炉、 系统、 制备系统、氢还原炉、DCS系统、电器控制系统和 系统 与之配套的冷却水系统、吹扫系统。 与之配套的冷却水系统、吹扫系统。 从精馏塔提纯出来的精制SiHCI3原料，按照还 原料， 从精馏塔提纯出来的精制 原料 原工艺条件的要求，经管道连续加入到SiHCI3蒸 原工艺条件的要求，经管道连续加入到 蒸 发器中。 发器中。经尾气回收系统收下来的氢气与来自电解 制氢系统的补充氢气在氢气总管中汇合后也进入蒸 发器中， 发器中，氢气总管的压力通过调节补充电解氢的流 和氢气放空的流量）控制， 量（和氢气放空的流量）控制，以实现进入蒸发气 的氢气压力恒定。 的氢气压力恒定。 蒸发器中的SiHCI3液体在一定的温度和压力下 蒸发器中的 液体在一定的温度和压力下 蒸发，氢气对SiHCI3液体进行集中鼓泡。形成一 液体进行集中鼓泡。 蒸发，氢气对 液体进行集中鼓泡 定体积比的H2和 的混合气体。 定体积比的 和SiHCI3的混合气体。SiHCI3蒸发 的混合气体 蒸发 所需的热量由专门的热水制备系统供给。 所需的热量由专门的热水制备系统供给。
二、多晶硅等级
• 按照硅含量的纯度分为两个 按照硅含量的纯度分为两个: • 太阳能级硅（SG ） : 太阳能级硅（ 硅含量为99.9999% （ 6个9）的(主要用于太 硅含量为 个 ） 主要用于太 阳能电池芯片的生产制造) 阳能电池芯片的生产制造 。 • 电子级硅（EG）: 电子级硅（ ） 纯度在99.999999999%（11个9）的多晶硅 纯度在 （ 个 ） (主要用于半导体芯片制造 。 主要用于半导体芯片制造)。 主要用于半导体芯片制造
第一节 半导体硅材料的基本概念
一、半导体材料简介 半导体: 半导体 电阻率介于109和10－4欧姆 厘米之间的物质 欧姆.厘米之间的物质 电阻率介于 和 － 欧姆 厘米之间的物质. 重要特点： 重要特点： 1.半导体材料的导电能力随着温度的变化会有很大 半导体材料的导电能力随着温度的变化 半导体材料的导电能力随着温度的变化会有很大 的变化 ; 2.在纯净的半导体材料中加入一些异族元素（掺杂） 在纯净的半导体材料中加入一些异族元素（ 在纯净的半导体材料中加入一些异族元素 掺杂） 可以获得各种电阻率及其他性质不同的半导体材 料。
• 四氯化硅
• 气体密度：7.59g/l（标准状态） 沸点： 气体密度：7.59g/l（标准状态） 沸点： 57.6℃ • 物料性质：常温下纯净的四氯化硅是无 物料性质： 透明油状液体、比重较大、 色、透明油状液体、比重较大、有刺鼻 气味。其化学性质如下： 气味。其化学性质如下： • 1）易水解、潮解、在空气中强烈发烟， 易水解、潮解、在空气中强烈发烟， 生成HCl 遇水立即转化为盐酸， HCl， 生成HCl，遇水立即转化为盐酸，盐酸 具有很强的腐蚀性； 具有很强的腐蚀性； • 2）易挥发、易气化、沸点低； 易挥发、易气化、沸点低； • 3）易与氨作用生成浓雾。 易与氨作用生成浓雾。
三氯氢硅氢还原制备多晶硅
培训讲义
主讲：邱松 内蒙古神舟硅业
目 录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 半导体硅材料的基本概念 高纯多晶硅生产的工艺简介 三氯氢硅氢还原制取多晶硅工艺 还原炉（载体） 还原炉（载体）硅芯的制备 还原炉启动(击穿 击穿)方式 还原炉启动 击穿 方式 还原炉冷却水系统及热能综合利用 还原工序正常操作过程 还原操作过程中常见事故 现场生产中可能出现的危险，以及保 现场生产中可能出现的危险， 证安全生产所具备的安全设施。 证安全生产所具备的安全设施。 警报/联动 联动/紧急停车 第十节 警报 联动 紧急停车
4.硅的物理、化学性质 硅的物理、 硅的物理
硅的物理性质: 硅的物理性质 硅在自然界中主要以硅酸盐和石英砂的形式存 纯净的硅是一种银灰色的固体， 在，纯净的硅是一种银灰色的固体，带有金属光 性质硬而脆。 泽、性质硬而脆。 硅的化学性质: 硅的化学性质 1）硅的化学性质与其存在状态有关，无定形硅化 ）硅的化学性质与其存在状态有关， 学性最高，多晶硅次之，单晶硅更低。 学性最高，多晶硅次之，单晶硅更低。 2）硅的化学性质与温度有关。 ） 的化学性质与温度有关。 温度有关 3）硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸和王水。 ） 不溶于盐酸、硫酸、硝酸和王水
SiHCI3和H2混合，加热到 和 混合 加热到900℃以上，就能发生如 混合， ℃以上， 下反应： 下反应： SiHCI3（气）＋ （气） Si（固）＋ HCI (气) （ ）＋H2（ （ ）＋3 气 同时，也会产生SiHCI3的热分解以及 的热分解以及SiCI4的还原反 同时，也会产生 的热分解以及 的还原反 应：900℃以上 ℃ 4SiHCI3 Si＋3SiCI4＋2H2 ＋ ＋ SiCI4＋2H2 Si＋4HCI ＋ ＋ 此外还会有杂质的还原反应： 此外还会有杂质的还原反应： 2BCI3＋3 H2 2B＋6 HCI ＋ ＋ 2PCI3＋3 H2 ＋ 2P＋3 HCI ＋ 这些反应， 这些反应，都是可逆反应