多晶硅生产工艺研究报告新能源_研究报告-新能源.pdf

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1、多晶硅生产工艺 多晶硅生产工艺(1概述 硅是地球上含量最丰富的元素之，约占地壳质量的 258，仅次于氧元素，居第二位。硅在地球上不存在单 质状态，基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表 现形态为各种各样的岩石，如花岗岩、石英岩等。硅是一种半导体元素，元素符号为 Si，位于元素周期表的第 三周期第四主族，原子序数为 14，原子量为 28.0855。硅材 料的原子密度为 5.00 x1022/cm。熔点为 141 5C,沸点为 2355 C 它在常温(300K)下是具有灰色金属光泽的固体，属脆性材料。硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和 非晶硅。单晶硅材料，是指硅原子在三维空

2、间有规律周期性的不问断 排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材 料，它的材料性质体现的是各向同性。非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列、而在长距离 内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有 9 个反映对称面、6 条二次旋转轴、4 条三次旋转轴和 3 条四次旋转轴，其全部 对称要素为3L44LS6L 9PC。如果加压到 1.5GPa，硅晶体就 会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此 时的晶体常数为 0.6636nm。硅材料是应用最广泛的

3、元素半导体材料，具有其他元素不具 有的一些特性，在室温下它的禁带宽度为 1.1 2eV,其本征载 流子浓度为 1.45x10 D/cm。硅材料具有典型的半导体电学 性质。硅材料的电阻率在 101010Ω·cm 间，导电能力介于导体和绝缘体之间。特性 其导电性受杂质、光、电、磁、热、温度等环境因素的影响 地球上不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶

4、体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛明显。高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在 10Ω·cm 以上。P-N 结构性。即 N 型硅材料和 P 型硅材料结合组成 PN 结，具有单向导电性等性质。这是所有硅半导体器件的基本结 构。光电特性。和其他半导体材料一样，硅材料组

5、成 p N 结后，在光的作用下能产生电流，如太阳能电池。2高纯多晶硅 目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少数 发达国家所垄断。当前世界多晶硅的主要供应商有 Hemlock W acker M EMC ASiMi Tokuyama KomatsuMitsubishi、SEH 等公司。冶金级硅是制造半导体多晶硅的原料，它由石英砂（二氧化硅）在电弧炉中用碳还原而成。尽管二氧化硅矿石在自然界中随 处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。一般说来，要求矿石中二氧化硅的含量应在 97%98%以 上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。冶金硅形成过程的化学反应式为：地球上

6、不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛

7、冶金硅主要用于钢铁工业和铝合金工业，要求纯度为 98%纯度大于 99%的冶金硅，则用于制备氯硅烷。在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有 99%以上的 Si 外，还含有铁（Fe）、铝（AI）、钙（Ca）、磷（P）、硼（B）等，它 们的含量在百万分之几十个到百万分之一千个（摩尔分数）不 等。而半导体硅中的杂质含量应该降到 10（摩尔分数）的水平，太 阳级硅中的杂质含量应降到 10 6（摩尔分数）的水平。3.冶金硅→半导体硅或太阳级硅 要把冶金硅变成半导体硅或太阳级硅，显然不可能在保持固 态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过 分馏与吸附等方法对气体提纯，然后再把高纯的

8、硅源的气体 通过化学气相沉积（CVD）的方法转化成为多晶硅 生产制造高纯多晶硅的办法 主要有三大流派，即：地球上不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其

9、全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛用 SIMENS 法（又称 SiHCI3 法）生产多晶硅棒；用 ASiMi 法（又称 SiH 法）生产多晶硅棒：利用 Sil 硅源制造颗粒状多晶硅。SIMENS（西门子）法（SiHCI3 法）制造多晶硅 该法于 1954 年推出，随即淘汰了当时使用的 SiCI 锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。它的第一步，是在 250350 C 的温度下让冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应；第二步，是对 SiHCI3 进行分馏，在这一过程中可以把具有 不同沸点的氯化物分离出来；第三步，是硅的沉积。多

10、晶硅 反应炉一般均采用单端开口的钟罩形式。通常多晶硅的沉积 反应要进行 200300h,使沉积在硅桥上的硅棒直径达到 150-200 m m。ASiMi 法（SiH 法）ASiMi 法（SiH 法）制造多晶硅 地球上不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料

11、它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛20 世纪 60 年代末期，ASiMi 公司（美国先进硅材料公司简 称 AsiMI（阿斯米公司）公司总部位于美国蒙大拿州比优特 城。生产超高纯度多晶硅和硅烷气体，是世界最大的硅烷气 体生产和销售商。）提出了用 SiH 作为原料生产多晶硅。利用 SiH 原料制造多晶硅棒，一般使用金属钟型罩炉。在高 温时，SiH 会分解产生 Si 与 H2。此法的总生产成本要比 SiHCI3 法为高。

12、Ethyl 公司的 SiH 法 颗粒状多晶硅制造技术 此法起源于 Ethyl 公司（美国乙基公司作为全球知名的添加剂 制造商，现跻身于全球三大石油添加剂制造商之列。乙基公 司采用全球领先的添加剂技术，开发生产全系列的燃料油与 润滑油添加剂。）的 SiH 法 1987 年商业化的粒状多晶硅开始投入生产。该技术利用流体 床反应炉将 SiH 分解，而分解形成的硅则沉积在一些自由流 动的微细晶种颗粒上，形成粒状多晶硅。由于晶体表面积很 大，使得流体床地球上不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第

13、四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛反应炉的效率高于传统的 Simens 炉，因而其 产品的生产成本较低。地球上不存在单质状态基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中其表现形态为各种各样的岩石如花岗岩石英岩等硅是一种半导体元素元素符号为位于元素周期表的第三周期第四主族原子序数为原子量为硅材料的原子密度为熔点为晶硅单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列形成一个完整的晶体材料材料性质体现各向异性即在不同的晶体方向各种性质都存在差异多晶硅材料是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料它的材料性质体向同性通常硅晶体的晶体结构是金刚石型有个反映对称面条二次旋转轴条三次旋转轴和条四次旋转轴其全部对称要素为如果加压到硅晶体就会发生结构变化由金刚石型结构转变为面心立方结构此时的晶体常数为硅材料是应用最广泛