多晶硅相关介绍

第一章、多晶硅概况

1.1 多晶硅的基本概况

1.1.1 有关硅产品的概念

硅是自然界分布最广的元素之一，是介于金属与非金属之间的半金属。在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。目前，硅是可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达到12个9的本征级，工业化大生产中也能达到7~11个9的本征级。

1.1.2 多晶硅的基本概念

多晶硅是单质硅的一种形态。是由许多硅原子及许多小的晶粒组合而成的硅晶体。当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒结合起来，则形成多晶硅。

1.1.3多晶硅的物理化学性质及其与单晶硅的区别

多晶硅是人工提取的高纯材料，其英文名为polysilicon，分子式Si，分子量28.08，熔点1410℃，沸点2355℃。多晶硅一般呈深银灰色，不透明，具有金属光泽，性脆。密度2.32~2.34。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。

多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等

1.2 多晶硅产品分类

多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（金属硅）、太阳能级、电子级。

冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为95%左右，高达99.8%以上。

太阳级硅（SG）：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si 在99.99~99.999 9%。

电子级硅（EG）：一般要求含Si99.999 9%以上，超高纯达到99.999 999 9%~99.999 999 999%.

1.3 多晶硅产品的品质

多晶硅的纯度要求相当之高，也是质量的关键。引进美国世界一流技术生产的多晶硅产品其纯度达到11个9，受主杂质含量为0.05~0.1ppba;（ppba为十亿分之一原子比），即p型电阻

率5400~2700欧/厘米；主杂质含量为0.05~0.4 ppba，n型电阻率不小于500欧/厘米；重金属杂质含量，即Fe、Ni、Cr、Cu 总和在晶体内不超过1~10 ppba，在晶体表面不超过2~10 ppba；碱金属杂质含量在晶体内应<1.0 ppba，在晶体表面应<1.5 ppba；碳含量为0.1~0.2ppma;（ppma 为百万分之一原子比）。

1.4多晶硅产品的用途多晶硅产品的主要用途如下：

可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能；

高纯的晶体硅是重要的半导体材料；金属陶瓷、宇宙航行的重要材料

光导纤维通信，最新的现代通信手段；

性能优异的硅有机化合物。

高纯多晶硅是最重要的电子信息基础材料，被视为“微电子大厦的基石”。多晶硅的用途非常广泛，除IT产业外，它还主要运用于太阳能光伏电池板和可控硅元件的生产。由于硅材料的工艺成熟、质量好、原料丰富、价格相对较低，因而在未来的50年里，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息和光伏产业主要原材料。

在IT产业中，多晶硅用于生产单晶硅。单晶硅即硅半导体，是多晶硅的衍生产品，它是制造集成电路和电子元件的优质材料。由于硅半导体耐高电压、耐高温、晶带宽度大，比其它半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强等优点，因此被广泛用于电子工业集成电路的生产中。

多晶硅的另一大用途是直接用于制造太阳能光伏电池板，或加工成单晶硅后再用于制造光伏电池板。先将硅料铸锭、切片或直接用单晶硅棒切片，再通过在硅片上掺杂和扩散形成PN结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜等一系列工艺加工成太阳能电池单体片，最后按需要组装成太阳能电池板。目前，硅光伏电池占世界光伏电池总产量的98%以上，其中多晶硅电池占55%，单晶硅电池约占36%，其它硅材料电池约占70%。由于多晶硅光伏电池的制造成本较低，光电转换效率较高(接近20%)，因而得到快速发展。

第二章、多晶硅的生产工艺及技术进展

2.1 多晶硅的生产方法

按硅沉积反应时使用原料的不同，目前世界上批量生产多晶硅的方法分为使用硅烷作原料的新硅烷热分解法和使用三氯氢硅作原料的改良西门子法，前者既可生产粒状多晶硅又可生产棒状多晶硅，后者生产棒状多晶硅。生产棒状多晶硅和生产粒状多晶硅的新硅烷热分解法在硅烷的制备及分解反应设备、工艺等方面的差异很大，可以看作两种不同的方法。改良西门子法目前是多晶硅生产的主流工艺，约占总产量的75%以上。

2.1.1 改良西门子法

1)生产流程

改良西门子法大体可分为6个工序，即氯化、精制、还原、尾气回收、氢化和后处理，工艺流程

氯化工序是在流化床反应器中用纯度约99%的金属硅(工业硅)与HCI反应生SiHC13(三氯氢硅)。精制工序采用多级分馏塔对三氯氢硅进行精制，除去S'C14及硼、磷等有害杂质。还原工序是在化学蒸发沉积反应器(还原炉)内加氢还原三氯氢硅，先在还原炉中预先放置初始硅棒，利用特别的启动装置来对初棒进行预热，然后对初棒直接通电加热，三氯氢硅还原后在初棒上沉积出多晶硅棒。尾气回收工序对来自还原炉的三氯氢硅、四氯化硅和氢气等进行分离、净化和回收。氢化工序是在高压反应器内把Sicl‘转化为三氯氢硅再返回还原炉。后处理工序对最终多晶硅产品进行破碎、净化、包装。该工艺涉及的主要化学