多晶硅生产工艺和反应原理

多晶硅生产工艺和反响原理Si，电子工业上使用的硅它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。在争论和生产中，硅材料与硅器件相互促进。在其次次世界大战中，开头用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度特地低又非单晶体。1950年制出第一只硅1952(CZ)培育硅单晶成功。1953(FZ1955开头承受锌复原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。1956年争论成功氢复原三氯氢硅法。对硅中微量杂质又通过一段时刻的探究后，氢复原三氯氢硅1960与硅闸流管的问世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。60年月硅外延生长单晶技术和硅平面工艺的显现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集成802500材料之一。用多晶硅制造太阳电池的技术差不多成熟；无定形非晶硅膜的争论进展快速；非晶硅太阳电池开头进入市场。化学成分硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入肯定量的电活性杂质，以获得所要求3ppm5～40ppm1ppm。硅的性质硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米2/伏•秒，空穴迁移率为480厘米2/伏•秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×105•厘米,掺杂后电阻率可操纵在104～10-4欧•厘米的宽广范畴内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平稳少数载流1PN够形成金属-氧化物-半导体构造,制造MOSPN200硅单晶的要紧技术参数硅单晶要紧技术参数有导电类型、电阻率与平均度、非平稳载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。导电类型导电类型由掺入的施主或受主杂质打算。P型单晶多掺硼，N型单N电阻率与平均度拉制单晶时掺入肯定杂质以操纵单晶的电阻率。由于杂质分和微区电阻率平均度。它直截了当阻碍器件参数的全都性和成品率。非平稳载流子寿命光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消逝，它会使寿命值大大降低。晶向与晶向偏离度常用的单晶晶向多为(111)和(100)〔见图。晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。有小角度晶界、位错排、星形构造等缺陷存在。位错密度低于200/2成电路的成败。类型和应用 硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔 (FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。区熔单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧•厘米的N型硅单晶〔包括中子嬗变掺杂单晶〕和高阻P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差大量区熔单晶用于制造高压整流器晶体闸流管高压晶体管等器件。直截了当法易于获得大直径单晶但纯度低于区熔单晶适于生产20欧•厘米以下的路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光以区分。外延片是在硅单晶片衬底〔或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底〕上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。其次节多晶硅应用多晶硅;polycrystallinesilicon性质：灰色金属光泽。密度2.32～2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不爽氯化，再经冷凝、精馏、复原而得。加以区分，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、制作电力电子器件电力电子技术是实现电力治理，提高电成效率的关键技术。飞速进展的电力电子(SCRGTR、GTO器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。制作电力电子器件，是区熔单晶硅的传统市场，也是本工程产品的市场根底。2、制作高效率太阳能光伏电池太阳能目前差不多成为最受关注的绿色能源产业。美国、欧洲、日本都制定了大202331998—2023阳能光伏电池的市场始终保持高速增长的态势，年平均增长速度到达30%，估量到202325%的增长速度。85%以上。池〔%〕和多晶硅太阳能电池〔光电转换效率为%。这项技2023将到达电力电子需求规模，这是本工程的市场时机。3、制作射频器件和微电子机械系统〔MEMS〕〔MEMS〕等高端微电子器件，被广泛应用于微的又一个兴的市场时机。4、制作各种探测器、传感器，远红外窗口晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料，其市场增长趋势也特地明显。第三节硅及其化合物的性质硅的简介图1－1 硅的简介硅〔音归〕x3用得上它。SiO287%。硅以大量的硅酸盐矿和石上矿物界的要紧元素。些我们在日常生活中常常遇到的物质，差不多上硅的化合物。硅，真是遍布世界，俯拾即是的元素。由于硅易于与氧结合，自然界中没有游离态的硅存在。硅的物理性质金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度上升g/cm37。最纯洁的物质了，一样的半导体器件要求硅的纯度六个9求更高，硅的纯度必需到达九个9。目前，人们差不多能制造出纯度为十二个9的单无定形硅是一种黑灰色的粉末。硅的化学性质硅在常温下不爽朗，其要紧的化学性质如下：与非金属作用SiF2反响，在F2SiF4。SiO2：SiCSi3N4SiS2等，与酸作用SiSiF4H2SiF6：与碱作用无定形硅能与碱猛烈反响生成可溶性硅酸盐，并放出氢气：与金属作用硅还能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。硅的用途IIIApVAnnp特地有前途的材料。金属陶瓷，宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。光导纤维通信，最的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透亮度的玻璃256电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使21生革命性巨变。性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下民英雄纪念碑，便是通过有机硅塑料处理外表的，因此永久洁白、清爽。高分子材料。蒸气压低，在高温或冰冷的环境中都能使用。一帜，开创了的领域。硅的制备Si:Si方法得到高纯硅，这将在以后论述。硅烷SiH4。HCSi之间，因此CH4中碳氢键的共用电子对靠近碳，而SiH4HSiH4CH4SidSiH4CH4爽朗等得多。SiH4Si。硅的纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。硅的氯化物SiCl4、SiHCl3等，它们和碳的卤化物CF4CCl4相像，差用蒸馏的方法提纯它们。SiHCl3、SiCl4是无色透亮的易挥发液体。氯硅烷简介氯硅烷的物理性质cm3/g·mol290cm3/g·mol290序号表1-4. 三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅要紧性能参数物理参数 三氯氢硅 四氯化硅 二氯二氢硅氯化氢1分子式 SiHCl3 SiCl4 SiH2Cl2HCl2状态〔常温态〕 液体 液体 气体气体3分子量 135.453 169.9 101.0136.54沸点，Tb，℃ 31.8 57.3 8.4-85.15溶点，Tm，℃ －126.6 －69.4 －122－114.26临界温度，Tc，℃ 206 234 15℃-1bar51.47临界压力，Pc,atm 40.01 37.0 时，1升液体81.58临界体积，Vc 可蒸发成268 326.391.321.471.2611.191100.00550.00630.0049400C-0.52911比热，kcal/kg℃0.230.1320.19气态液态气态0.20212潜热，kcal/kg46.841.159.6105.9氯硅烷的化学性质1〕易水解、潮解，在空气中猛烈发烟易水解、潮解：SiCl4 +〔n+2〕H2O → SiO2·nH2O + SiHCl3 + nH2O →SiO2·nH2O +3HCl2〕易挥发、易汽化、易制备、易复原。SiHCl328℃HCl和Cl2220℃。对金属极为稳固，甚至对金属钠也不起反响。其蒸汽具有弱毒性，与无水醋酸及二氮乙烯的毒性程度极为一样。SiHCl3生产中常用不锈钢作为材质。但SiHCl3有较大得爆炸危急，因此在操作过程中应保有氨水的棉球接近待查处，假设有深厚白色烟雾就能够确信漏气的地点。原理如下：2HCl2NH4OH→2NH4ClH2O第四节 要紧工序生产方法及反响原理如下H2电解H20→H2+02HCl氯化氢合成原理在合成炉内，氯气与氢气按下式进展反响：点燃ＨＨ2＋Ｃl22HCl＋43.831000℃以上。生成的HCl含有少量的水份，需分别除去，由于水份与HCl之间不是一种简洁HCl氯和氢赶忙反响并发生爆炸。其反响的机理为：紫外光〔或加热〕的能量〔ｈ·γ，使氯分子离解为活化的氯原子〔以*表示：Cl2＋ｈ·γ＝２Cl*活化的Cl*与H2分子生成HCl分子和活化的H*原子Cl*＋Ｈ2 = HCl＋Ｈ*Ｈ*CL2HCLCL*原子Ｈ*＋Cl2 = HCl＋Cl*液氯瓶Cl液氯瓶Cl缓冲缸2净化后的H2H缓冲缸2HCl合成炉一组冷凝器二组冷凝器SiHCl沸腾炉3HCl缓冲缸SiHCl3三氯氢硅制备原理SiHCl3280～320℃Si＋3HCl SiHCl3＋H2＋50Kcal/moll4350SiCl4，＞350℃Si＋4HCl SiCl4＋2H2＋54.6Kcal/mol假设温度操纵不当，有时产生的SiCl4甚至高达50%以上，此反响还产生各种氯CB、CrCl3、PbCl2、FeCl3、NiCl3、BCl3、CCl4、CuCl2、PCl3、InCl3等。SiH2Cl2低沸物：＜280℃Si＋4HCl SiH2Cl2 ＋Q地操纵肯定得操作条件。、沸腾床、合成炉的流体力学原理及其各组成局部的构造和技术要求、沸腾床的形成及流体动力学原理的关系。如图为流化管示意图：45 图中流化管①的下部，设有多孔的流体分布板，②在其上堆放固体硅粉，3HCl流体从底部的入口，③进入，并由顶2 流过床层时，随着流体流速的增加，可分1为三个差不多时期：〔W=流体流量/空管截面积，固体颗粒静止不动，流体从颗粒间的缝隙穿过，当流速逐步增大时，高度没有多大变化，而流体的实际速度和压强降则随空管速度的增加逐步上升。称的由来，因此压强降保持不变，现在期为流化床时期。〔又〕以后，流化床就转入悬浮状态，固体颗粒就不能再留在床层内，而与管道，阻碍生产的正常进展。、沸腾床的传热沸腾层内的传热及传质直截了当阻碍设备的生产力量，而且对该设备进展设计生产力量增加，其热交换情形分为三种：⑴物料颗粒〕与流化介质〔HClSiHCl3混合气体〕之间得热交换。⑵整个沸腾层与内部热交换器之间得传热。⑶沸腾层内部得传热。恒定得温度，不随时刻而转变，即可视为稳固热态。、三氯氢硅合成工艺流程。硅铁经腭式裂开机裂开，送入球磨机球磨，过筛后，进入料池，用蒸汽枯燥，再硅粉蒸汽干燥池高沸物去除器水冷却器-60尾气淋洗池硅粉电感干燥池布袋过液封硅粉蒸汽干燥池高沸物去除器水冷却器-60尾气淋洗池硅粉电感干燥池布袋过液封滤器硅粉计计量罐量罐 旋风收尘器沸腾炉渣池去料库HCl3－8三氯氢硅合成工艺流程图合成气干法分别成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体，分别循环回装置使用。氯硅烷分别、提纯艺能够保证制备高纯的用于多晶硅生产的三氯氢硅和四氯化硅(用于氢化)。冷冷凝器深冷器冷凝器精低沸物精馏进料馏进料1#2#产品去复原塔塔再沸器再沸器高沸物精馏塔吊装SiHCl3精馏塔吊装在原始硅芯棒上沉积多晶硅。高纯H2和精制SiHCl3进入复原炉，在1050℃的硅芯发热体外表上反响。5SiHCl3+H2→2Si+2SiCl4+5HCl+SiH2Cl2H2SiHCl3 挥发器 复原炉尾气干法回收多晶硅 淋洗塔〔放空防爆孔导油出导油进 窥视孔电极进、出气口复原炉简图复原炉内生产出的硅棒复原尾气干法分别8SiCl4400～5001.3～SiCl4转化反响。主反响SiCl4+H2→SiHCl3+HCl副反响氢化气干法分别类似。原炉复原复原尾气冷却纯氢吸附柱SiHCl3合成HCl洗涤塔氢气脱吸塔氯硅烷压缩机H2、HCl吸取塔SiCl4水冷器分别塔过冷器SiHCl3SiCl4图6－1 干法回收工艺流程图(1)硅芯制备硅芯制备过程中，需要用氢氟酸和硝酸对硅芯进展腐蚀处理，再用超纯水洗净硅芯，然后对硅芯进展枯燥。(2)产品整理用氢氟酸和硝酸对块状多晶硅进展腐蚀处理，再用超纯水洗净多晶硅块，然后对多晶硅块进展枯燥。切料水洗腐蚀清洗烘干腐蚀检测出炉拉制装炉(1)工艺废气处理NaOHSiHCl3NaOH去除。HC1+NaOH=NaC1+H20NaCl、Si02的出塔底洗涤液用泵送工艺废料处理。(2)精馏残液处理Na0H水解和中和反响SiCl4+3H2O=SiO2·H2O↓+4HClSiHCl3+3H2O=SiO2·H2O↓+3HCl+H2NaOH+HCl=NaCl+H2OSiO2、NaCI酸洗尾气处理NOXN22HF+Ca(OH)2=CaF2↓+H206N02+8NH3=7N2↓+12H206N0+4NH3=5N2↓+6H20酸洗废液处理化钙固体和硝酸钙溶液，处理后送工艺废料处理。2HF+Ca(OH)2=CaF2↓+H2O2HNO3+Ca(OH)2=Ca(NO3)2+H2O第五节多晶硅生产装置表多晶硅生产装置表装置装置名称作用HCL、TCS合成制备HCLSiHCL3TCSSiHCL3复原SiHCL3转化SiCL4SiHCL3主工H2、HCL、艺回收SiHCL3SiCL4用。硅芯制备制作原始硅棒产品处理硅成品裂开包装检验生产过程物料及成品检验制氢站制氢站主工艺原料制氮站要紧作疼惜器关心供热系统给主工艺供热设施冷冻系统给主工艺供冷循环水系统供主工艺冷却废物处理系统 环保设施第六节多晶硅进