多晶硅毕业论文1

安徽职业技术学院中能硅业方向-1-安徽职业技术学院毕业论文(设计)(2008届)设计题目中能硅业探索化工系生物化工工艺生化821班2008277041周超徐灏溪2011．03.22专业班级学号指导老师成绩作者姓名系部完稿时间安徽职业技术学院中能硅业方向-2-目录摘要………………………………………………………………………………4英文摘要…………………………………………………………………………4第一章概述……………………………………………………………………51.多晶硅的概念………………………………………………………………52.国内多晶硅产业概况及未来发展…………………………………………….5第二章多晶硅的生产工艺……………………………………………………72.1改良西门子法的简介……………………………………………………………72.2三氯氢硅氢还原反应基本工艺流程…………………………………………72.3生产多晶硅主要原料……………………………………………………92.3.1三氯氢硅的性质……………………………………………………92.3.2氢气的性质…………………………………………………………112.4生产多晶硅的原料质量要求……………………………………………12第三章SiHCI3氢还原反应………………………………………123.1多晶硅反应原理………………………………………………………123．2SiHCI3氢还原反应的影响因素………………………………………133．2．1氢还原反应沉积温度……………………………………………………133．2．2混合气配比…………………………………………………………………143．2．3反应气体流量………………………………………………………………153．2．4还原反应时间………………………………………………………………163．2．5硅表面积……………………………………………………………………163．2．6硅棒电流电压的关系……………………………………………………173.3还原炉结构示意图………………………………………………………………173.4还原炉生产过程物料衡算………………………………………………………183.4.1三氯氢硅的流量及流速……………………………………………………183.4.2氢气的流量及流速…………………………………………………………193.4.3混合气体的流量及流速……………………………………………………19第四章多晶硅的质量标准……………………………………………………194．1硅棒质量问题及原因………………………………………………………19安徽职业技术学院中能硅业方向-3-4.2多晶硅的用途………………………………………………………20第五章致谢……………………………………………………………………21参考文献…………………………………………………………………………22安徽职业技术学院中能硅业方向-4-摘要多晶硅是单质硅的一种形态。通过化学或者物理方法使硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。还原是将经提纯和净化的三氯氢硅与氢气混合通入还原炉中，在1080℃～1150℃下将还原出来的多晶硅沉积的发热体的硅芯上。从而得到纯度很高的单质硅。而在生产多晶硅的过程中涉及很多的变量因素，都能影响到多晶硅产品的质量和纯度问题，本篇论文主讲在多晶硅的还原生产过程中，如何控制温度，及为获得一定的收率，如何控制流量配比等主要的影响因素，从而能够在生产过程中更好的提高产品的纯度。关键词：多晶硅，三氯氢硅，氢气，还原炉AbstractPolycrystallinesiliconisanewshape.Throughchemicalorphysicalmethodmakessiliconatomtodiamondarrangedintomanynucleilatticeform,suchasthesegrownucleiofdifferentgrain,orborientationisthegraincombine,iscrystallizationintopolycrystallinesilicon.Reductionisthepurificationandpurificationbysiliconandhydrogentrichloraminehydrogenmixedventilationwithreductionfurnace,in1080℃~1,150℃nextwillrestoreoutoftheheatingelementofpolycrystallinesilicondepositiononsiliconecore.Thustheelementalsiliconhighpuritywasobtained.Andintheprocessofproductionofpolysiliconinvolvesmanyvariables,canaffectthequalityoftheproductandpuritypolysilicon,thispaperspeakerofreductioninpolysiliconproductionprocess,howtocontroltemperature,andforaccesstocertainyield,howtocontroltheflowofthemainfactorsaffectingtheratioof,soitcanbeintheprocessofproductionofimprovingtheproductpurityisbetter.Keywords:polysilicon,trimethoxysilane,hydrogen,hydrogensiliconereductionfurnace第一章概述安徽职业技术学院中能硅业方向-5-1.多晶硅的概念多晶硅是元素的硅的单质，是一种半导体，具有金刚石的结构，呈银灰色金属光泽，性脆易碎。硅不已提纯因为它的熔点很高，而在熔点的附近有很高的活性，所以杂质难以除去，杂质的存在导致电阻率大大降低，在12510X个硅原子中大约一个杂质原子的硅称为本质硅，其常温下本征电阻率约为2300欧姆米的积。而杂质含量为1X710％的硅电阻率约3欧姆米的积。硅在地球中的含量很大，但大多数以化合物的形式存在，其中以石英石(sio2)形式存在最多，约占地球27％，我们这里所致的多晶硅是以金属硅为原料，经一系列的物理化学反映提纯后的硅材料，因此又称高纯硅或超纯硅。它可以直接做成太阳能电池板，也可以作为原料生产单晶硅。目前百分之九十以上的半导体是用多晶硅材料制成的，在电子行业总少不了硅特别是少不了多晶硅，它被视为“微电子大厦的基石”因此一些高科技国家都把自己的高科技基地称为“硅谷”。晶体又分为单晶体和多晶体两大类。晶体是有许许多多的小晶粒组成，而每一个晶粒都有许多原子组成的，尽管这些原子在晶粒中的排列是整整齐齐的，但在一块晶体中各个晶粒的排列方向彼此是不同的，晶粒与晶粒之间是杂乱无规则的。因此总的来说这样的晶体称为多晶，只有那些晶粒也按照一定规律排列的晶体称为单晶。顾名思义，多晶硅就是多晶体的硅。2.国内多晶硅产业概况及未来发展我国集成电路的增长，硅片生产和太阳能电池产业的发展，大大带动多晶硅材料的增长。生产能力及产量我国从20世纪60年代中期开始批量生产多晶硅，后来生产厂家不断增加。据1983年统计为18家，生产能力为150吨；由于经济效益的关系，到1987年剩下7家，生产能力为112吨；到1998年只有两家，四川峨眉半导体厂和洛阳单晶硅厂，其生产能力为80吨，产量约60吨；2000年峨眉厂又立项“年产1000吨多晶硅高新技术产业化示范工程”项目要靠进口。质量与成本我国多晶硅的质量能满足集成电路用单晶的要求，但不能完全满足高阻区熔硅的要求。我国多晶硅的成本比国外高，其原因是规模小、消耗高。由于消耗高、规模小，所以价安徽职业技术学院中能硅业方向-6-格远高于国外，国内多晶硅售价为500元/kg以上，国外，直拉用多晶硅为40—50美元/kg以上，区熔用多晶硅为60—70美元/kg。生产方面的差距我国多晶硅在工业生产方面与国际先进水平的差距主要表现在四个方面：(1)工艺设备落后，致使物质与电力消耗过大，三废问题多；(2)生产规模小,现在公认临界经济规模为1000吨/年,而我国反为30—50吨/年；(3)超高纯产品（B0.03ppb）难以获取，而新硅烷法可批量供应；(4)成本没有竞争力。我国在2001—2010年内的硅市场需求增长很快，但是我国硅工业所面临的形势是相当严重的，主要是：A、国际上的强大竞争对手，现有6家跨国公司占领着市场的近85%，他们在资金、技术上均有强大的优势；B、在我国周边国家和地区内，如韩国、台湾地区、马来西亚均设有硅材料生产基地，年生产能力总计已达5亿平方英寸；C、我国硅材料生产所需的设备，特别是先进的大直径设备几乎全部靠进口；市场预测:根据国内单晶硅生产的需求，以1996年实际需要出发，预计2000年和2010年多晶硅的需求如表所示。年份199620002010需求量（吨）2427361500安徽职业技术学院中能硅业方向-7-第二章多晶硅的生产工艺2.1改良西门子法的简介改良西门子法——闭环式SiHCl3氢还原法1955年西门子公司研究成功开发了用H2还原SiHCl3，在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年建厂进行工业规模生产，这就是通常所说的西门子法（2）。随后，西门子工艺的改进主要集中在减少单位多晶硅产品的原料、辅料、电能消耗以及降低成本等方面，于是形成了当今广泛应用的改良西门子法。改良西门子法在西门子法工艺基础上，增加还原尾气干法回收系统、SiCl4氢化工艺，实现了闭路循环，所以又称（闭环式SiHCl3氢还原法）。改良西门子法包括5个主要生产环节：SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收以及SiCl4的氢化分离。改良西门子法的生产流程是用氯和氢合成HCl（或外购HCl），HCl和工业硅粉在一定的温度下合成SiHCl3，然后对SiHCl3进行分离精馏提纯，提纯后的SiHC3l在氢还原炉内进行化学气相沉积（CVD）反应生产高纯度多晶硅。该方法通过采用大型还原炉，降低了单位产品的能耗；通过采用SiCl4氢化和尾气干法回收工艺，明显降低了原辅材料的消耗，所生产的多晶硅占当今世界生产总量的70~80%。改良西门子法生产多晶硅仍属于高耗能的产业，其中电力成本约占总成本的70%左右。目前，国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产太阳能级多晶硅与电子级多晶硅。我国目前已经投产的企业包括峨嵋半导体材料厂（四川峨嵋山市）、洛阳中硅（河南洛阳）、新光硅业（四川乐山），在建的企业包括宁夏阳光（宁夏石嘴山）、深圳南玻（湖北宜昌）、爱信硅科技（云南曲靖）、江苏中能（江苏徐州）、江苏顺大（江苏扬州）、亚洲硅业（青海西宁）、江苏大全集团（重庆万州）等。2.2三氯氢硅氢还原反应基本工艺流程SiHCI3氢还原制备多晶硅主要工序包括混合气制备系统、氢还原炉炉前系统、电器控制系统和与之配套的冷却水系统。SiHCI3氢还原工艺流程如下图所示：从精馏塔提纯出来的精制SiHCI3原料，按照还原工艺条件的要求，经管道连续加入到SiHCI3蒸发器中。经尾气回收系统收下来的氢气与来自电解制氢系统的补充氢气在氢气总管中汇合后也进入蒸发器中，氢气总管的压力通过调节补充电解氢的流量和氢气放空的流安徽职业技术学院中能硅业方向-8-量控制，以实现进入蒸发气的氢气压力恒定。蒸发器中的SiHCI3液体在一定的温度和压力下蒸发，氢气对SiHCI3液体进行集中鼓泡。形成一定体积比的H2和SiHCI3的混合气体。SiHCI3蒸发所需的热量由专门的热水制备系统供给。蒸发器的压力通过调节进入蒸发器的氢气流量控制，蒸发器的SiHCI蒸发温度通过调节热水的流量控制