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1、多晶硅生產(chǎn)工藝多晶硅生產(chǎn)工藝(1．概述硅是地球上含量最豐富的元素之～，約占地殼質(zhì)量的25．8％，僅次于氧元素，居第二位。硅在地球上不存在單質(zhì)狀態(tài)，基本上以氧化態(tài)存在于硅酸鹽或二氧化硅中，其表現(xiàn)形態(tài)為各種各樣的巖石，如花崗巖、石英巖等。硅是一種半導(dǎo)體元素，元素符號為Si，位于元素周期表的第三周期第四主族，原子序數(shù)為14，原子量為28.0855。硅材料的原子密度為5.OOx1022／cm。，熔點為1415℃，沸點為2355℃它在常溫(300K)下是具有灰色金屬光澤的固體，屬脆性材料。硅材料有多種形態(tài)，按晶體結(jié)構(gòu)，可分為單晶硅、多晶硅和非
2、晶硅。單晶硅材料，是指硅原子在三維空間有規(guī)律周期性的不問斷排列，形成一個完整的晶體材料，材料性質(zhì)體現(xiàn)各向異性，即在不同的晶體方向各種性質(zhì)都存在差異。多晶硅材料，是指由兩個以上尺寸不同的單晶硅組成的硅材料，它的材料性質(zhì)體現(xiàn)的是各向同性。非晶硅材料，是指硅原子在短距離內(nèi)有序排列、而在長距離內(nèi)無序排列的硅材料，其材料的性質(zhì)顯示各向同性。通常硅晶體的晶體結(jié)構(gòu)是金剛石型，有9個反映對稱面、6條二次旋轉(zhuǎn)軸、4條三次旋轉(zhuǎn)軸和3條四次旋轉(zhuǎn)軸，其全部對稱要素為3L44LS6L9PC。如果加壓到1.5GPa，硅晶體就會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，由金剛石型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>
3、面心立方結(jié)構(gòu)，此時的晶體常數(shù)為0.6636nm。硅材料是應(yīng)用最廣泛的元素半導(dǎo)體材料，具有其他元素不具有的一些特性，在室溫下它的禁帶寬度為1.12eV，其本征載流子濃度為1.45x10D／cm。。硅材料具有典型的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。硅材料的電阻率在10～1010Ω·cm間，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。特性其導(dǎo)電性受雜質(zhì)、光、電、磁、熱、溫度等環(huán)境因素的影響明顯。高純無摻雜的無缺陷的硅晶體材料，稱為本征半導(dǎo)體，其電阻率在10Ω·cm以上。P-N結(jié)構(gòu)性。即N型硅材料和P型硅材料結(jié)合組成PN結(jié)，具有單向
4、導(dǎo)電性等性質(zhì)。這是所有硅半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。光電特性。和其他半導(dǎo)體材料一樣，硅材料組成p—N結(jié)后，在光的作用下能產(chǎn)生電流，如太陽能電池。2．高純多晶硅目前高純多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)，被美國、日本和德國等少數(shù)發(fā)達國家所壟斷。當(dāng)前世界多晶硅的主要供應(yīng)商有HemlockWackerMEMCASiMiTokuyamaKomatsuMitsubishi、SEH等公司。冶金級硅是制造半導(dǎo)體多晶硅的原料，它由石英砂(二氧化硅)在電弧爐中用碳還原而成。盡管二氧化硅礦石在自然界中隨處可見，但僅有其中的少數(shù)可以用于冶金級硅的制備。一般說來，要求礦石中二氧
5、化硅的含量應(yīng)在97％～98％以上，并對各種雜質(zhì)特別是砷、磷和硫等的含量有嚴(yán)格的限制。冶金硅形成過程的化學(xué)反應(yīng)式為：冶金硅主要用于鋼鐵工業(yè)和鋁合金工業(yè)，要求純度為98％。純度大于99％的冶金硅，則用于制備氯硅烷。在用于制造高純多晶硅的冶金硅中，除了含有99％以上的Si外，還含有鐵(Fe)、鋁(AI)、鈣(Ca)、磷(P)、硼(B)等，它們的含量在百萬分之幾十個到百萬分之一千個(摩爾分?jǐn)?shù))不等。而半導(dǎo)體硅中的雜質(zhì)含量應(yīng)該降到10(摩爾分?jǐn)?shù))的水平，太陽級硅中的雜質(zhì)含量應(yīng)降到10～6(摩爾分?jǐn)?shù))的水平。3.冶金硅→半導(dǎo)體硅或太
6、陽級硅要把冶金硅變成半導(dǎo)體硅或太陽級硅，顯然不可能在保持固態(tài)的狀態(tài)下提純，而必須把冶金硅變成含硅的氣體，先通過分餾與吸附等方法對氣體提純，然后再把高純的硅源的氣體通過化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法轉(zhuǎn)化成為多晶硅。生產(chǎn)制造高純多晶硅的辦法主要有三大流派，即：用SIMENS法(又稱SiHCI3法)生產(chǎn)多晶硅棒；用ASiMi法(又稱SiH法)生產(chǎn)多晶硅棒：利用Sil硅源制造顆粒狀多晶硅。SIMENS（西門子）法(SiHCI3法)制造多晶硅該法于1954年推出，隨即淘汰了當(dāng)時使用的SiCI鋅還原法，而成為迄今一直使用的方法。它的第一步，是在2
7、50～350℃的溫度下讓冶金硅粉末和氯化氫在流化床上反應(yīng)；第二步，是對SiHCI3進行分餾，在這一過程中可以把具有不同沸點的氯化物分離出來；第三步，是硅的沉積。多晶硅反應(yīng)爐一般均采用單端開口的鐘罩形式。通常多晶硅的沉積反應(yīng)要進行200～300h，使沉積在硅橋上的硅棒直徑達到150-200mm。ASiMi法(SiH法)ASiMi法(SiH法)制造多晶硅20世紀(jì)60年代末期，ASiMi公司（美國先進硅材料公司簡稱AsiMI（阿斯米公司）公司總部位于美國蒙大拿州比優(yōu)特城。生產(chǎn)超高純度多晶硅和硅烷氣體，是世界最大的硅烷氣體生產(chǎn)和銷售商。）提
8、出了用SiH作為原料生產(chǎn)多晶硅。利用SiH原料制造多晶硅棒，一般使用金屬鐘型罩爐。在高溫時，SiH會分解產(chǎn)生Si與H2。此法的總生產(chǎn)成本要比SiHCI3法為高。Ethyl公司的SiH法顆粒狀多晶硅制造技術(shù)此法起源于Ethyl公司(美國
