多晶硅生產(chǎn)工藝和反應(yīng)原理

多晶硅生產(chǎn)工藝和反響原理Si，電子工業(yè)上使用的硅它的產(chǎn)量和用量標(biāo)志著一個(gè)國家的電子工業(yè)水平。在爭論和生產(chǎn)中，硅材料與硅器件相互促進(jìn)。在其次次世界大戰(zhàn)中，開頭用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅純度特地低又非單晶體。1950年制出第一只硅1952(CZ)培育硅單晶成功。1953(FZ1955開頭承受鋅復(fù)原四氯化硅法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求。1956年?duì)幷摮晒鋸?fù)原三氯氫硅法。對(duì)硅中微量雜質(zhì)又通過一段時(shí)刻的探究后，氫復(fù)原三氯氫硅1960與硅閘流管的問世促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位。60年月硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝的顯現(xiàn)，不但使硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，而且促使集成802500材料之一。用多晶硅制造太陽電池的技術(shù)差不多成熟；無定形非晶硅膜的爭論進(jìn)展快速；非晶硅太陽電池開頭進(jìn)入市場。化學(xué)成分硅是元素半導(dǎo)體。電活性雜質(zhì)磷和硼在合格半導(dǎo)體和多晶硅中應(yīng)分別低于0.4ppb和0.1ppb。拉制單晶時(shí)要摻入肯定量的電活性雜質(zhì)，以獲得所要求3ppm5～40ppm1ppm。硅的性質(zhì)硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中，為1.21流子遷移率較高，電子遷移率為1350厘米2/伏?秒，空穴遷移率為480厘米2/伏?秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達(dá)2.3×105?厘米,摻雜后電阻率可操縱在104～10-4歐?厘米的寬廣范疇內(nèi)，能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平穩(wěn)少數(shù)載流1PN夠形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體構(gòu)造,制造MOSPN200硅單晶的要緊技術(shù)參數(shù)硅單晶要緊技術(shù)參數(shù)有導(dǎo)電類型、電阻率與平均度、非平穩(wěn)載流子壽命、晶向與晶向偏離度、晶體缺陷等。導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型由摻入的施主或受主雜質(zhì)打算。P型單晶多摻硼，N型單N電阻率與平均度拉制單晶時(shí)摻入肯定雜質(zhì)以操縱單晶的電阻率。由于雜質(zhì)分和微區(qū)電阻率平均度。它直截了當(dāng)阻礙器件參數(shù)的全都性和成品率。非平穩(wěn)載流子壽命光照或電注入產(chǎn)生的附加電子和空穴瞬即復(fù)合而消逝，它會(huì)使壽命值大大降低。晶向與晶向偏離度常用的單晶晶向多為(111)和(100)〔見圖。晶體的軸與晶體方向不吻合時(shí)，其偏離的角度稱為晶向偏離度。有小角度晶界、位錯(cuò)排、星形構(gòu)造等缺陷存在。位錯(cuò)密度低于200/2成電路的成敗。類型和應(yīng)用 硅單晶按拉制方法不同分為無坩堝區(qū)熔 (FZ)單晶與有坩堝直拉(CZ)單晶。區(qū)熔單晶不受坩堝污染，純度較高，適于生產(chǎn)電阻率高于20歐?厘米的N型硅單晶〔包括中子嬗變摻雜單晶〕和高阻P型硅單晶。由于含氧量低，區(qū)熔單晶機(jī)械強(qiáng)度較差大量區(qū)熔單晶用于制造高壓整流器晶體閘流管高壓晶體管等器件。直截了當(dāng)法易于獲得大直徑單晶但純度低于區(qū)熔單晶適于生產(chǎn)20歐?厘米以下的路、大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產(chǎn)。硅單晶商品多制成拋光以區(qū)分。外延片是在硅單晶片襯底〔或尖晶石、藍(lán)寶石等絕緣襯底〕上外延生長硅單晶薄層而制成，大量用于制造雙極型集成電路、高頻晶體管、小功率晶體管等器件。其次節(jié)多晶硅應(yīng)用多晶硅;polycrystallinesilicon性質(zhì)：灰色金屬光澤。密度2.32～2.34。熔點(diǎn)1410℃。沸點(diǎn)2355℃。溶于氫切割時(shí)易碎裂。加熱至800℃以上即有延性，1300℃時(shí)顯出明顯變形。常溫下不爽氯化，再經(jīng)冷凝、精餾、復(fù)原而得。加以區(qū)分，但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導(dǎo)電類型和電阻率等。1、制作電力電子器件電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力治理，提高電成效率的關(guān)鍵技術(shù)。飛速進(jìn)展的電力電子(SCRGTR、GTO器件——功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中。制作電力電子器件，是區(qū)熔單晶硅的傳統(tǒng)市場，也是本工程產(chǎn)品的市場根底。2、制作高效率太陽能光伏電池太陽能目前差不多成為最受關(guān)注的綠色能源產(chǎn)業(yè)。美國、歐洲、日本都制定了大202331998—2023陽能光伏電池的市場始終保持高速增長的態(tài)勢(shì)，年平均增長速度到達(dá)30%，估量到202325%的增長速度。85%以上。池〔%〕和多晶硅太陽能電池〔光電轉(zhuǎn)換效率為%。這項(xiàng)技2023將到達(dá)電力電子需求規(guī)模，這是本工程的市場時(shí)機(jī)。3、制作射頻器件和微電子機(jī)械系統(tǒng)〔MEMS〕〔MEMS〕等高端微電子器件，被廣泛應(yīng)用于微的又一個(gè)興的市場時(shí)機(jī)。4、制作各種探測器、傳感器，遠(yuǎn)紅外窗口晶是制作各種探測器、傳感器的關(guān)鍵原材料，其市場增長趨勢(shì)也特地明顯。第三節(jié)硅及其化合物的性質(zhì)硅的簡介圖1－1 硅的簡介硅〔音歸〕x3用得上它。SiO287%。硅以大量的硅酸鹽礦和石上礦物界的要緊元素。些我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｓ龅降奈镔|(zhì)，差不多上硅的化合物。硅，真是遍布世界，俯拾即是的元素。由于硅易于與氧結(jié)合，自然界中沒有游離態(tài)的硅存在。硅的物理性質(zhì)金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度上升g/cm37。最純潔的物質(zhì)了，一樣的半導(dǎo)體器件要求硅的純度六個(gè)9求更高，硅的純度必需到達(dá)九個(gè)9。目前，人們差不多能制造出純度為十二個(gè)9的單無定形硅是一種黑灰色的粉末。硅的化學(xué)性質(zhì)硅在常溫下不爽朗，其要緊的化學(xué)性質(zhì)如下：與非金屬作用SiF2反響，在F2SiF4。SiO2：SiCSi3N4SiS2等，與酸作用SiSiF4H2SiF6：與堿作用無定形硅能與堿猛烈反響生成可溶性硅酸鹽，并放出氫氣：與金屬作用硅還能與鈣、鎂、銅、鐵、鉑、鉍等化合，生成相應(yīng)的金屬硅化物。硅的用途IIIApVAnnp特地有前途的材料。金屬陶瓷，宇宙航行的重要材料。將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復(fù)擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外殼。光導(dǎo)纖維通信，最的現(xiàn)代通信手段。用純二氧化硅拉制出高透亮度的玻璃256電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。光纖通信將會(huì)使21生革命性巨變。性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。例如有機(jī)硅塑料是極好的防水涂布材料。在地下民英雄紀(jì)念碑，便是通過有機(jī)硅塑料處理外表的，因此永久潔白、清爽。高分子材料。蒸氣壓低，在高溫或冰冷的環(huán)境中都能使用。一幟，開創(chuàng)了的領(lǐng)域。硅的制備Si:Si方法得到高純硅，這將在以后論述。硅烷SiH4。HCSi之間，因此CH4中碳?xì)滏I的共用電子對(duì)靠近碳，而SiH4HSiH4CH4SidSiH4CH4爽朗等得多。SiH4Si。硅的純度越高，大規(guī)模集成電路的性能就越好。硅的氯化物SiCl4、SiHCl3等，它們和碳的鹵化物CF4CCl4相像，差用蒸餾的方法提純它們。SiHCl3、SiCl4是無色透亮的易揮發(fā)液體。氯硅烷簡介氯硅烷的物理性質(zhì)cm3/g·mol290cm3/g·mol290序號(hào)表1-4. 三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫硅要緊性能參數(shù)物理參數(shù) 三氯氫硅 四氯化硅 二氯二氫硅氯化氫1分子式 SiHCl3 SiCl4 SiH2Cl2HCl2狀態(tài)〔常溫態(tài)〕 液體 液體 氣體氣體3分子量 135.453 169.9 101.0136.54沸點(diǎn)，Tb，℃ 31.8 57.3 8.4-85.15溶點(diǎn)，Tm，℃ －126.6 －69.4 －122－114.26臨界溫度，Tc，℃ 206 234 15℃-1bar51.47臨界壓力，Pc,atm 40.01 37.0 時(shí)，1升液體81.58臨界體積，Vc 可蒸發(fā)成268 326.391.321.471.2611.191100.00550.00630.0049400C-0.52911比熱，kcal/kg℃0.230.1320.19氣態(tài)液態(tài)氣態(tài)0.20212潛熱，kcal/kg46.841.159.6105.9氯硅烷的化學(xué)性質(zhì)1〕易水解、潮解，在空氣中猛烈發(fā)煙易水解、潮解：SiCl4 +〔n+2〕H2O → SiO2·nH2O + SiHCl3 + nH2O →SiO2·nH2O +3HCl2〕易揮發(fā)、易汽化、易制備、易復(fù)原。SiHCl328℃HCl和Cl2220℃。對(duì)金屬極為穩(wěn)固，甚至對(duì)金屬鈉也不起反響。其蒸汽具有弱毒性，與無水醋酸及二氮乙烯的毒性程度極為一樣。SiHCl3生產(chǎn)中常用不銹鋼作為材質(zhì)。但SiHCl3有較大得爆炸危急，因此在操作過程中應(yīng)保有氨水的棉球接近待查處，假設(shè)有深厚白色煙霧就能夠確信漏氣的地點(diǎn)。原理如下：2HCl2NH4OH→2NH4ClH2O第四節(jié) 要緊工序生產(chǎn)方法及反響原理如下H2電解H20→H2+02HCl氯化氫合成原理在合成爐內(nèi)，氯氣與氫氣按下式進(jìn)展反響：點(diǎn)燃ＨＨ2＋Ｃl22HCl＋43.831000℃以上。生成的HCl含有少量的水份，需分別除去，由于水份與HCl之間不是一種簡潔HCl氯和氫趕忙反響并發(fā)生爆炸。其反響的機(jī)理為：紫外光〔或加熱〕的能量〔ｈ·γ，使氯分子離解為活化的氯原子〔以*表示：Cl2＋ｈ·γ＝２Cl*活化的Cl*與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緩沖缸2凈化后的H2H緩沖缸2HCl合成爐一組冷凝器二組冷凝器SiHCl沸騰爐3HCl緩沖缸SiHCl3三氯氫硅制備原理SiHCl3280～320℃Si＋3HCl SiHCl3＋H2＋50Kcal/moll4350SiCl4，＞350℃Si＋4HCl SiCl4＋2H2＋54.6Kcal/mol假設(shè)溫度操縱不當(dāng)，有時(shí)產(chǎn)生的SiCl4甚至高達(dá)50%以上，此反響還產(chǎn)生各種氯CB、CrCl3、PbCl2、FeCl3、NiCl3、BCl3、CCl4、CuCl2、PCl3、InCl3等。SiH2Cl2低沸物：＜280℃Si＋4HCl SiH2Cl2 ＋Q地操縱肯定得操作條件。、沸騰床、合成爐的流體力學(xué)原理及其各組成局部的構(gòu)造和技術(shù)要求、沸騰床的形成及流體動(dòng)力學(xué)原理的關(guān)系。如圖為流化管示意圖：45 圖中流化管①的下部，設(shè)有多孔的流體分布板，②在其上堆放固體硅粉，3HCl流體從底部的入口，③進(jìn)入，并由頂2 流過床層時(shí)，隨著流體流速的增加，可分1為三個(gè)差不多時(shí)期：〔W=流體流量/空管截面積，固體顆粒靜止不動(dòng)，流體從顆粒間的縫隙穿過，當(dāng)流速逐步增大時(shí)，高度沒有多大變化，而流體的實(shí)際速度和壓強(qiáng)降則隨空管速度的增加逐步上升。稱的由來，因此壓強(qiáng)降保持不變，現(xiàn)在期為流化床時(shí)期?！灿帧骋院?，流化床就轉(zhuǎn)入懸浮狀態(tài)，固體顆粒就不能再留在床層內(nèi)，而與管道，阻礙生產(chǎn)的正常進(jìn)展。、沸騰床的傳熱沸騰層內(nèi)的傳熱及傳質(zhì)直截了當(dāng)阻礙設(shè)備的生產(chǎn)力量，而且對(duì)該設(shè)備進(jìn)展設(shè)計(jì)生產(chǎn)力量增加，其熱交換情形分為三種：⑴物料顆?！撑c流化介質(zhì)〔HClSiHCl3混合氣體〕之間得熱交換。⑵整個(gè)沸騰層與內(nèi)部熱交換器之間得傳熱。⑶沸騰層內(nèi)部得傳熱。恒定得溫度，不隨時(shí)刻而轉(zhuǎn)變，即可視為穩(wěn)固熱態(tài)。、三氯氫硅合成工藝流程。硅鐵經(jīng)腭式裂開機(jī)裂開，送入球磨機(jī)球磨，過篩后，進(jìn)入料池，用蒸汽枯燥，再硅粉蒸汽干燥池高沸物去除器水冷卻器-60尾氣淋洗池硅粉電感干燥池布袋過液封硅粉蒸汽干燥池高沸物去除器水冷卻器-60尾氣淋洗池硅粉電感干燥池布袋過液封濾器硅粉計(jì)計(jì)量罐量罐 旋風(fēng)收塵器沸騰爐渣池去料庫HCl3－8三氯氫硅合成工藝流程圖合成氣干法分別成氯硅烷液體、氫氣和氯化氫氣體，分別循環(huán)回裝置使用。氯硅烷分別、提純藝能夠保證制備高純的用于多晶硅生產(chǎn)的三氯氫硅和四氯化硅(用于氫化)。冷冷凝器深冷器冷凝器精低沸物精餾進(jìn)料餾進(jìn)料1#2#產(chǎn)品去復(fù)原塔塔再沸器再沸器高沸物精餾塔吊裝SiHCl3精餾塔吊裝在原始硅芯棒上沉積多晶硅。高純H2和精制SiHCl3進(jìn)入復(fù)原爐，在1050℃的硅芯發(fā)熱體外表上反響。5SiHCl3+H2→2Si+2SiCl4+5HCl+SiH2Cl2H2SiHCl3 揮發(fā)器 復(fù)原爐尾氣干法回收多晶硅 淋洗塔〔放空防爆孔導(dǎo)油出導(dǎo)油進(jìn) 窺視孔電極進(jìn)、出氣口復(fù)原爐簡圖復(fù)原爐內(nèi)生產(chǎn)出的硅棒復(fù)原尾氣干法分別8SiCl4400～5001.3～SiCl4轉(zhuǎn)化反響。主反響SiCl4+H2→SiHCl3+HCl副反響氫化氣干法分別類似。原爐復(fù)原復(fù)原尾氣冷卻純氫吸附柱SiHCl3合成HCl洗滌塔氫氣脫吸塔氯硅烷壓縮機(jī)H2、HCl吸取塔SiCl4水冷器分別塔過冷器SiHCl3SiCl4圖6－1 干法回收工藝流程圖(1)硅芯制備硅芯制備過程中，需要用氫氟酸和硝酸對(duì)硅芯進(jìn)展腐蝕處理，再用超純水洗凈硅芯，然后對(duì)硅芯進(jìn)展枯燥。(2)產(chǎn)品整理用氫氟酸和硝酸對(duì)塊狀多晶硅進(jìn)展腐蝕處理，再用超純水洗凈多晶硅塊，然后對(duì)多晶硅塊進(jìn)展枯燥。切料水洗腐蝕清洗烘干腐蝕檢測出爐拉制裝爐(1)工藝廢氣處理NaOHSiHCl3NaOH去除。HC1+NaOH=NaC1+H20NaCl、Si02的出塔底洗滌液用泵送工藝廢料處理。(2)精餾殘液處理Na0H水解和中和反響SiCl4+3H2O=SiO2·H2O↓+4HClSiHCl3+3H2O=SiO2·H2O↓+3HCl+H2NaOH+HCl=NaCl+H2OSiO2、NaCI酸洗尾氣處理NOXN22HF+Ca(OH)2=CaF2↓+H206N02+8NH3=7N2↓+12H206N0+4NH3=5N2↓+6H20酸洗廢液處理化鈣固體和硝酸鈣溶液，處理后送工藝廢料處理。2HF+Ca(OH)2=CaF2↓+H2O2HNO3+Ca(OH)2=Ca(NO3)2+H2O第五節(jié)多晶硅生產(chǎn)裝置表多晶硅生產(chǎn)裝置表裝置裝置名稱作用HCL、TCS合成制備HCLSiHCL3TCSSiHCL3復(fù)原SiHCL3轉(zhuǎn)化SiCL4SiHCL3主工H2、HCL、藝回收SiHCL3SiCL4用。硅芯制備制作原始硅棒產(chǎn)品處理硅成品裂開包裝檢驗(yàn)生產(chǎn)過程物料及成品檢驗(yàn)制氫站制氫站主工藝原料制氮站要緊作疼惜器關(guān)心供熱系統(tǒng)給主工藝供熱設(shè)施冷凍系統(tǒng)給主工藝供冷循環(huán)水系統(tǒng)供主工藝?yán)鋮s廢物處理系統(tǒng) 環(huán)保設(shè)施第六節(jié)多晶硅進(jìn)