(新版)多晶硅生產(chǎn)工藝課件

多晶硅生產(chǎn)工藝多晶硅生產(chǎn)工藝1硅材料概述硅材料元素含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無環(huán)境污染，又具有良好的半導(dǎo)體材料的特性。硅材料有單晶硅、多晶硅和非晶硅。多晶硅是制備單晶硅、鑄造多晶硅的原料，也是半導(dǎo)體和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硅材料是最重要且應(yīng)用最廣泛的元素半導(dǎo)體。硅材料概述硅材料元素含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無環(huán)境污染，硅材2硅材料物化參數(shù)色澤；晶體鋼灰色，無定型為黑色密度2.4g／cm3，熔點(diǎn)1420℃，沸點(diǎn)3415℃晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)物理性質(zhì)硅石化學(xué)性質(zhì)比較活潑，高溫下能與氧氣等多種元素化和，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于氫氟酸和堿液，用于制造合金如鋼鐵、硅鋼等，單晶硅用于制造大功率晶體管、整流管、太陽能電池等。硅的用途；1.高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體。2.金屬陶瓷、宇宙航天材料。3.光導(dǎo)纖維通信，最新的的現(xiàn)代通信手段。4.性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。硅材料物化參數(shù)物理性質(zhì)硅石化學(xué)性質(zhì)比較活潑，高溫下能與氧氣等3多晶硅相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈多晶硅相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈4多晶硅主要生產(chǎn)技術(shù)路線介紹（改良）西門子法——三氯氫硅氫還原法硅烷法—硅烷熱分解法

流化床法—正在研究中…多晶硅主要生產(chǎn)技術(shù)路線介紹（改良）西門子法——三氯氫硅氫還原5改良西門子法工藝流程改良西門子法工藝流程6西門子法生產(chǎn)多晶硅主要工序原料氣的制備（H2、HCl）三氯氫硅的合成三氯氫硅的精制提純?nèi)葰涔璧募託溥€原四氯氫硅的氫化分離凈化爐中尾氣（H2、HCl、SiHCl3、SiCl4）多晶硅的破碎、凈化、包裝等后續(xù)處理西門子法生產(chǎn)多晶硅主要工序原料氣的制備（H2、HCl）7粗硅制備SiO2+2C→SiC+2CO2SiC+SiO2→3Si+2CO原料硅有石英砂（二氧化硅）在電爐中用碳還原

反應(yīng)溫度1600～1800℃含雜質(zhì)Fe、Al、C、B、P等。其中Fe含量最大純度3～4個(gè)9粗硅制備SiO2+2C8粗硅提純方法―酸浸法多數(shù)雜質(zhì)（Fe、Al、B、C、P、Cu等）離析在晶粒周圍，呈硅化物或硅酸鹽狀態(tài)，一般可以用酸洗溶解，而硅不溶。常用酸：HCl、HNO3、HF王水以及不同組合的酸，在酸中加入Fe3+，加速溶解升高溫度，采用小粒硅粉，對(duì)提純有利粗硅提純方法―酸浸法多數(shù)雜質(zhì)（Fe、Al、B9原料氣的制備氫氣和氧氣在電解槽經(jīng)電解鹽水溶液制得反應(yīng)式2H2O=2H2↑+O2↑凈化流程：氫氣（來在反應(yīng)）冷卻分離液體催化（活性銅）除氧吸附干燥器氫氣儲(chǔ)液罐氧氣—經(jīng)冷卻、分離液體、送入氧氣貯罐氯化氫的合成工序氯氣（液氯汽化）+氫氣合成爐空氣冷凝器水冷卻器深冷卻器霧沫冷卻器儲(chǔ)罐送往三氯氫硅合成工序

原料氣的制備氫氣和氧氣在電解槽經(jīng)電解鹽水溶液制得10三氯氫硅的合成

工業(yè)硅與無水氯化氫在300℃，0.45MPa，和混合有Cu5％硅合金在流化床反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，生成擬溶解的三氯氫硅。其反應(yīng)式Si+3HCl→SiHCl3+H2同時(shí)形成氣態(tài)混合物H2、SiCl4、HCl、Si、SiHCl3，此混合氣體被稱為三氯氫硅合成氣。經(jīng)三級(jí)旋風(fēng)除塵器（除去未反應(yīng)的硅粉）送入濕法除塵系統(tǒng)（洗滌液四氯化硅）除去氣體中細(xì)小硅塵、通濕氫氣與氣體接觸，使其中金屬氧化物發(fā)生水解而被除去，送往合成氣干法分離工序。三氯氫硅的合成

工業(yè)硅與無水氯化氫在300℃，0.45MP11三氯氫硅的還原沉淀精制的三氯氫硅被熱水加熱汽化在汽化器和來自循環(huán)氫氣混合發(fā)生反應(yīng)氫化反應(yīng)同時(shí)還生成二氯二氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣。未反應(yīng)的三氯氫硅和氫氣一起送出還原爐，經(jīng)還原尾氣冷卻器用循環(huán)水冷卻水冷卻后，送往還原尾氣干法分離工序。凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，高純度的SiHCl3在H2氣氛中還原沉淀生成多晶硅。其反應(yīng)式：SiHCl3+H2=Si+2HCl多晶硅反應(yīng)器是密閉的，用電加熱硅池硅棒，在1050—1100℃的硅棒上生長(zhǎng)。三氯氫硅的還原沉淀精制的三氯氫硅被熱水加熱汽化在汽化器和來自12還原尾氣干法分離來自還原爐的尾氣換熱器脫氧換熱器（鈀催化）水壓縮機(jī)冷凝器分餾塔精餾塔送往SiCl4氫化工序返回還原爐制備多晶硅SiHCl3分離柱氫氣氯化氫精制還原尾氣干法分離來自還原爐的尾氣換熱器脫氧換熱器（鈀催化）水13四氯化硅氫化工序經(jīng)干法分離提純工序精制的四氯化硅送入本工序汽化器，與被熱水加熱的循環(huán)氫氣形成混合器氣體進(jìn)入氫化爐內(nèi)，在通電的電極表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)式SiCl4+H2=SiHCl3+HCl反應(yīng)生成的混合氣體送往氫化干法分離工序從四氯化硅氫化工序來的氫化氣與三氯氫硅合成的干法分離工序類似，被分離成氯硅化物液體、氫氣和氯化氫氣體，分別循環(huán)裝置使用。四氯化硅氫化工序經(jīng)干法分離提純工序精制的四氯化硅送入本工序汽14西門子生產(chǎn)工藝經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，幾經(jīng)改造，產(chǎn)能規(guī)模、自動(dòng)化控制水平有了很大提高，生產(chǎn)成本不斷降低，其關(guān)鍵技術(shù)也有敞開生產(chǎn)發(fā)展到閉式循環(huán)。實(shí)踐證明，三氯氫硅生產(chǎn)多晶硅，具有相對(duì)安全性相對(duì)良好、沉積速率和一次轉(zhuǎn)化率較高，產(chǎn)品純度較高，同時(shí)可適于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，所以成為高純度多晶硅生產(chǎn)的首選生產(chǎn)技術(shù)。世界上主要的多晶硅工廠和我國(guó)多晶硅項(xiàng)目均采用了西門子法。西門子生產(chǎn)工藝經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，幾經(jīng)改造，產(chǎn)能15硅烷法—硅烷熱分解法硅烷是以四氯化硅氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的直接氫化法等方法制取，反應(yīng)如下；硅烷氣提純后再熱分解爐生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。硅烷法也有廢料，也是氯化物的提純，且工藝難度大，安全要求高，每一步都有轉(zhuǎn)化率，投資更大，使得硅烷法尚不能取代西門子法。硅烷法—硅烷熱分解法16流化床法以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)高溫高壓下生成三氯氫硅，在將三氯氫硅進(jìn)一步歧化加氫聲場(chǎng)二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。制的的硅烷氣通入加入小顆粒硅粉的流化床內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱熱分解，生成大顆粒多晶硅產(chǎn)品。在流化床內(nèi)參與反應(yīng)的硅面積大，生產(chǎn)效率高，電耗低與與成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽能多晶硅安全性差，危害性大，產(chǎn)品純度不高缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)流化床法以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)高溫17流化床法—制備粒狀硅難點(diǎn)；如何降低低硅粉的玷污，爐內(nèi)反應(yīng)溫度的均衡控制，耐腐蝕、耐高溫爐體材料的選擇，防止和控制爐壁上的沉積硅，氣體和硅粉流速的均勻分布控制，控制生長(zhǎng)硅粒的尺寸和減少細(xì)硅粉的生成。流化床法是研究的熱點(diǎn)，對(duì)此抱有很大的希望。多晶硅生產(chǎn)視頻H:\多晶硅生產(chǎn)過程.flv流化床法—制備粒狀硅難點(diǎn)；如何降低低硅粉的玷污，爐內(nèi)反應(yīng)溫度18 多晶硅尾氣回收的方法分析主要采用水吸收工藝，將未處理的尾氣通入洗淋塔，用大量的水吸收，HCl溶解于水，SiHCl3等硅氯化物水解生成SiO2和HCl，鹽酸經(jīng)NaOH中和后，達(dá)指標(biāo)排放。氫氣干燥脫水后返回設(shè)備工序循環(huán)。該法優(yōu)點(diǎn)；工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，投資少。缺點(diǎn)；沒有對(duì)HCl和H2進(jìn)行2次利用，源流消耗高，三費(fèi)量大。濕法處理開路系統(tǒng) 多晶硅尾氣回收的方法分析主要采用水吸收工藝，將未處理的尾19同時(shí)西門子法的尾氣處理還依賴于吸附技術(shù)

吸附原理：利用尾氣各組分分沸點(diǎn)的差異、溶解度的差異和在吸附劑上附著能力的差異將各組分完全分離。常用的吸附方法：冷凝吸附法變壓吸附法變溫吸附法干法處理—在西門子法中廣泛法應(yīng)用閉路循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)西門子法的尾氣處理還依賴于吸附技術(shù)

吸附原理：利用尾氣各20Thankyou!Thankyou!21多晶硅生產(chǎn)工藝多晶硅生產(chǎn)工藝22硅材料概述硅材料元素含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無環(huán)境污染，又具有良好的半導(dǎo)體材料的特性。硅材料有單晶硅、多晶硅和非晶硅。多晶硅是制備單晶硅、鑄造多晶硅的原料，也是半導(dǎo)體和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硅材料是最重要且應(yīng)用最廣泛的元素半導(dǎo)體。硅材料概述硅材料元素含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無環(huán)境污染，硅材23硅材料物化參數(shù)色澤；晶體鋼灰色，無定型為黑色密度2.4g／cm3，熔點(diǎn)1420℃，沸點(diǎn)3415℃晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)物理性質(zhì)硅石化學(xué)性質(zhì)比較活潑，高溫下能與氧氣等多種元素化和，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于氫氟酸和堿液，用于制造合金如鋼鐵、硅鋼等，單晶硅用于制造大功率晶體管、整流管、太陽能電池等。硅的用途；1.高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體。2.金屬陶瓷、宇宙航天材料。3.光導(dǎo)纖維通信，最新的的現(xiàn)代通信手段。4.性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。硅材料物化參數(shù)物理性質(zhì)硅石化學(xué)性質(zhì)比較活潑，高溫下能與氧氣等24多晶硅相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈多晶硅相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈25多晶硅主要生產(chǎn)技術(shù)路線介紹（改良）西門子法——三氯氫硅氫還原法硅烷法—硅烷熱分解法

流化床法—正在研究中…多晶硅主要生產(chǎn)技術(shù)路線介紹（改良）西門子法——三氯氫硅氫還原26改良西門子法工藝流程改良西門子法工藝流程27西門子法生產(chǎn)多晶硅主要工序原料氣的制備（H2、HCl）三氯氫硅的合成三氯氫硅的精制提純?nèi)葰涔璧募託溥€原四氯氫硅的氫化分離凈化爐中尾氣（H2、HCl、SiHCl3、SiCl4）多晶硅的破碎、凈化、包裝等后續(xù)處理西門子法生產(chǎn)多晶硅主要工序原料氣的制備（H2、HCl）28粗硅制備SiO2+2C→SiC+2CO2SiC+SiO2→3Si+2CO原料硅有石英砂（二氧化硅）在電爐中用碳還原

反應(yīng)溫度1600～1800℃含雜質(zhì)Fe、Al、C、B、P等。其中Fe含量最大純度3～4個(gè)9粗硅制備SiO2+2C29粗硅提純方法―酸浸法多數(shù)雜質(zhì)（Fe、Al、B、C、P、Cu等）離析在晶粒周圍，呈硅化物或硅酸鹽狀態(tài)，一般可以用酸洗溶解，而硅不溶。常用酸：HCl、HNO3、HF王水以及不同組合的酸，在酸中加入Fe3+，加速溶解升高溫度，采用小粒硅粉，對(duì)提純有利粗硅提純方法―酸浸法多數(shù)雜質(zhì)（Fe、Al、B30原料氣的制備氫氣和氧氣在電解槽經(jīng)電解鹽水溶液制得反應(yīng)式2H2O=2H2↑+O2↑凈化流程：氫氣（來在反應(yīng)）冷卻分離液體催化（活性銅）除氧吸附干燥器氫氣儲(chǔ)液罐氧氣—經(jīng)冷卻、分離液體、送入氧氣貯罐氯化氫的合成工序氯氣（液氯汽化）+氫氣合成爐空氣冷凝器水冷卻器深冷卻器霧沫冷卻器儲(chǔ)罐送往三氯氫硅合成工序

原料氣的制備氫氣和氧氣在電解槽經(jīng)電解鹽水溶液制得31三氯氫硅的合成

工業(yè)硅與無水氯化氫在300℃，0.45MPa，和混合有Cu5％硅合金在流化床反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，生成擬溶解的三氯氫硅。其反應(yīng)式Si+3HCl→SiHCl3+H2同時(shí)形成氣態(tài)混合物H2、SiCl4、HCl、Si、SiHCl3，此混合氣體被稱為三氯氫硅合成氣。經(jīng)三級(jí)旋風(fēng)除塵器（除去未反應(yīng)的硅粉）送入濕法除塵系統(tǒng)（洗滌液四氯化硅）除去氣體中細(xì)小硅塵、通濕氫氣與氣體接觸，使其中金屬氧化物發(fā)生水解而被除去，送往合成氣干法分離工序。三氯氫硅的合成

工業(yè)硅與無水氯化氫在300℃，0.45MP32三氯氫硅的還原沉淀精制的三氯氫硅被熱水加熱汽化在汽化器和來自循環(huán)氫氣混合發(fā)生反應(yīng)氫化反應(yīng)同時(shí)還生成二氯二氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣。未反應(yīng)的三氯氫硅和氫氣一起送出還原爐，經(jīng)還原尾氣冷卻器用循環(huán)水冷卻水冷卻后，送往還原尾氣干法分離工序。凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，高純度的SiHCl3在H2氣氛中還原沉淀生成多晶硅。其反應(yīng)式：SiHCl3+H2=Si+2HCl多晶硅反應(yīng)器是密閉的，用電加熱硅池硅棒，在1050—1100℃的硅棒上生長(zhǎng)。三氯氫硅的還原沉淀精制的三氯氫硅被熱水加熱汽化在汽化器和來自33還原尾氣干法分離來自還原爐的尾氣換熱器脫氧換熱器（鈀催化）水壓縮機(jī)冷凝器分餾塔精餾塔送往SiCl4氫化工序返回還原爐制備多晶硅SiHCl3分離柱氫氣氯化氫精制還原尾氣干法分離來自還原爐的尾氣換熱器脫氧換熱器（鈀催化）水34四氯化硅氫化工序經(jīng)干法分離提純工序精制的四氯化硅送入本工序汽化器，與被熱水加熱的循環(huán)氫氣形成混合器氣體進(jìn)入氫化爐內(nèi)，在通電的電極表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)式SiCl4+H2=SiHCl3+HCl反應(yīng)生成的混合氣體送往氫化干法分離工序從四氯化硅氫化工序來的氫化氣與三氯氫硅合成的干法分離工序類似，被分離成氯硅化物液體、氫氣和氯化氫氣體，分別循環(huán)裝置使用。四氯化硅氫化工序經(jīng)干法分離提純工序精制的四氯化硅送入本工序汽35西門子生產(chǎn)工藝經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，幾經(jīng)改造，產(chǎn)能規(guī)模、自動(dòng)化控制水平有了很大提高，生產(chǎn)成本不斷降低，其關(guān)鍵技術(shù)也有敞開生產(chǎn)發(fā)展到閉式循環(huán)。實(shí)踐證明，三氯氫硅生產(chǎn)多晶硅，具有相對(duì)安全性相對(duì)良好、沉積速率和一次轉(zhuǎn)化率較高，產(chǎn)品純度較高，同時(shí)可適于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，所以成為高純度多晶硅生產(chǎn)的首選生產(chǎn)技術(shù)。世界上主要的多晶硅工廠和我國(guó)多晶硅項(xiàng)目均采用了西門子法。西門子生產(chǎn)工藝經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，幾經(jīng)改造，產(chǎn)能36硅烷法—硅烷熱分解法硅烷是以四氯化硅氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的直接氫化法等方法制取，反應(yīng)如下；硅烷氣提純后再熱分解爐生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。硅烷法也有廢料，也是氯化物的提純，且工藝難度大，安全要求高，每一步都有轉(zhuǎn)化率，投資更大，使得硅烷法尚不能取代西門子法。硅烷法—硅烷熱分解法37流化床法以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)高溫高壓下生成三氯氫硅，在將三氯氫硅進(jìn)一步歧化加氫聲場(chǎng)二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。制的的硅烷氣通入加入小顆粒硅粉的流化床內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱熱分解，生成大顆粒多晶硅產(chǎn)品。在流化床內(nèi)參與反應(yīng)的硅面積大，生產(chǎn)效率