多晶硅生产工艺流程教材.docx

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多晶硅生产工艺流程教材

多晶硅生产工艺流程（简介）

-------------------------来自于网络收集

多晶硅生产工艺流程,多晶硅最主要的工艺包括，三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的主项，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等。

主要反应包括：

Si+HCl---SiHCl3+H2（三氯氢硅合成）;SiCl4+H2---SiHCl3+HCl（热氢化）;SiHCl3+H2---SiCl4+HCl+Si（还原）多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来，由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：

改良西门子法、硅烷法和流化床法。

改良西门子法是目前主流的生产方法，采用此方法生产的多晶硅约占多晶硅全球总产量的85％。

但这种提炼技术的核心工艺仅仅掌握在美、德、日等7家主要硅料厂商手中。

这些公司的产品占全球多晶硅总产量的90%，它们形成的企业联盟实行技术封锁，严禁技术转让。

短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。

西门子改良法生产工艺如下：

这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术，对环境不产生污染，具有明显的竞争优势。

改良西门子工艺法生产多晶硅所用设备主要有：

氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置，还原尾气干法回收装置；其他包括分析、检测仪器，控制仪表，热能转换站，压缩空气站，循环水站，变配电站，净化厂房等。

（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，

其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑

（2）为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。

把工业硅粉碎并用无水氯化氢（HCl）与之反应在一个流化床反应器中，生成拟溶解的三氯氢硅（SiHCl3）。

其化学反应Si+HCl→SiHCl3+H2↑

反应温度为300度，该反应是放热的。

同时形成气态混合物（Н2,НС1,SiНС13,SiC14,Si）。

（3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解:

过滤硅粉，冷凝SiНС13,SiC14，而气态Н2,НС1返回到反应中或排放到大气中。

然后分解冷凝物SiНС13,SiC14，净化三氯氢硅（多级精馏）。

（4）净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。

其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl。

多晶硅的反应容器为密封的，用电加热硅池硅棒（直径5-10毫米，长度1.5-2米，数量80根），在1050-1100度在棒上生长多晶硅，直径可达到150-200毫米。

这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应，并生成多晶硅。

剩余部分同Н2,НС1,SiНС13,SiC14从反应容器中分离。

这些混合物进行低温分离，或再利用，或返回到整个反应中。

气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的，从某种程度上决定了多晶硅的成本和该3工艺的竞争力

我国多晶硅生产现状与发展

一、概述

世界正从工业社会向信息社会过渡，信息技术已成为促进社会发展和进步的关键技术，信息化程度的高低已成为衡量一个国家现代化水平的标志。

微电子技术是信息技术的基础和关键技术，集成电路又是微电子技术的核心，一代又一代更为优秀的集成电路的出现，推进着全球经济一体化的进程，而半导体硅材料则是集成电路最重要的、不可替代的基础功能材料，多晶硅则是集成电路大厦的“基石”或“粮食”。

二、多晶硅生产现状

1、我国多晶硅生产现状

我国多晶硅工业起步于50年代，60年代中期实现工业化生产，70年代初曾一度盲目发展，生产厂发展到20余家。

生产工艺多采用传统西门子法，由于技术水平低、生产规模小、产品质量差、消耗指标高环境污染严重、生产成本逐年增加等原因，多数生产厂难以维持生产而停产或倒闭，生产能力急剧萎缩，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急骤增加极不协调。

生产消耗和生产能力变化分别见表1和表2。

由上表可知，目前国内多晶硅生产规模太小，产能不断萎缩，厂家分散，工艺技术落后，装置陈旧，消耗高，环境污染严重，生产十分艰难，1999年只生产了46t，仅占世界产量的0．4％，远不能满足国内市场的需要。

如不积极组建现代化的、符合经济规模的大多晶硅厂，将制约我国生产符合集成电路和分离器件要求的高档次的单晶硅和硅

片。

多晶硅对我国半导体工业的发展至关重要。

2、国外多晶硅生产现状

多晶硅生产主要集中在美、日、德三国，世界市场由7家公司占有，1998年多晶硅产量为16200t，其中德山曹达、黑姆洛克、瓦克三家公司占产量的63％。

见表2—3。

目前生产的多晶硅能满足集成电路及功率器件发展的技术要求，用户不经腐蚀、清洗，直接装炉。

多晶硅质量指标好，产品稳定，多晶硅N型电阻率都在1000Q·cm以上。

改良西门子法技术的完善与发展，使原辅材料及能耗大为降低；多晶硅生产的主要工序都应用计算机控制、设备装备水平较高。

三、我国多晶硅市场需求

1、多晶硅严重短缺

在改革开放形势下，国内市场是世界市场的一部分，两者有相同之处，但也有差别。

国内集成电路的市场正是如此，差别在于国内集成电路市场需求增长比国外更为迅速，1991年国内市场需求量为6．5亿块，1996年增至67．8亿块，五年间年平均增长率达60％，1999年12块，年平均增长率21％。

为适应国内外市场的需要，国内单晶硅生产及市场销售大幅度地增长，一改我国过去十几年来的徘徊局面，单晶硅产量从1991年的60．9t增加到1999年的215t，9年增加154．1t，年均增长率达10．8％，与此相适应，多晶硅需求量大幅度地增表1国内多晶硅生产主要消耗对比

项目单位翻内指标翻外指标

工,Jk硅粉kg5—61．15—1．4

氢气m340—500．6—1．2

液氯kg20—260．2—1．38

还原直接电耗kWh400—50012—200

表21983-1999年我国务晶硅生产能力

项目名称1983年1987年1990年1994年1996年1999~

生产厂家数1476dd2

生产能力1441121059010060

增长率-22—6—1411—40

加，需求的缺口较大，1995年一1999年进口多晶硅的数量已大大超过国内生产量，见表3。

2、2005年及2010年市场及预测

为适应国内外单晶硅市场的需要，近年来，国内厂家相继扩产或新建生产线，有的正在实施中，单晶硅的生产能力和产量将会大幅度地增加，但多晶硅供不应求的局面仍将会持续下去。

据专家预测，~U2005年国内多晶硅年需求量约756t，2010年国内多晶硅需求量1302t，有较大的市场发展空间。

四、中国周边她区多晶硅生产与需求

1、日本多晶硅生产与需求

全世界约有30家硅片制造公司，生产集中在美、日、德、韩等国家，其中76％的市场份额控制在5家跨国公司手中。

而日本的信越、住友、三菱、小松等公司的硅片市场占有率之和在45％以上。

日本多晶硅的消费量约占世界总产量的50％，除自产一部分外，其余部分需从国外进口。

见表4。

由表57知，日本每年需进口多晶硅2200t以上，最多进口达4850t／a，每年进口多晶硅量约占其用量的50％。

2、亚太地区多晶硅供需现状

亚太地区包括韩国、马来西亚、新加坡、印尼、中国的台湾和香港，生产硅片的厂家有PHC公司、Siltron公司、韩国电子公司、汉磊公司、Taisil公司、小松公司、三菱公司等等，已具备6．4亿平方英寸以上的硅片年生产能力，每年需多晶硅2458t。

根据各公司的扩建计划，预计今后经扩建后硅片生产能力将可能新增5．8亿平方英寸，这样每年需多晶硅将达~U4686t。

该地区没有多晶硅生产厂，所需多晶硅全部依赖进口。

中国若有多晶硅出口，将有良好的地理优势。

3、国际市场需求与发展

目前，全球多晶硅市场供大于求，但随着以计算机为核心、以网络为传输媒体的网络新经济时代来临，以及新型清洁太阳能的不断发展，世界半导体市场将以高速发展，硅片需求旺盛。

专家预测，多晶硅需求将以每年5％的速度增长，到2005年，多晶硅用量将达28600t，目前年产22400t产能将满足不了消费要求。

五、我国多晶硅技术发展

1986年，原中国有色金属工业总公司和各级政府，在积极引进多晶硅生产技术的前提下，同时决定走自行研究开发多晶硅生产技术的道路，组织北京有色冶金设计研究总院与峨嵋半导体材料厂共同研究开发。

为了从根本上解决多晶硅生产中物耗高、能耗高、成本高、污染严重及难实现规模生产问题，研究开发了“导热油循环冷却技术、大型节能还原炉、SiCI4氢化和还原尾气干法回收”等4项关键技术。

1987年，首先突破了导热油循环冷却技术，为开发大型节能还原炉创造了条件，随后多晶硅产品直径100mm的6对棒还原炉投产，进而导热油循环冷却技术与大型节能还原炉配套投产，使多晶硅产品的能耗大幅度降低，多晶硅还原生产中80％一90％热能可以得到回收。

与此同时，SiCI氢化工业性试验取得成功。

1996年，在引进技术条件过于苛刻，多年努力难以实现的条件下，国家计委及原中国有色金属工业总公司支持，由北京有色冶金设计研究总院与峨嵋半导体材料厂合作，用已取得的多晶硅生产技术成果，利用峨嵋半导体材料厂现有条件，建成一条1OOVa规模的多晶硅工业性生产示范线，形成完整的改良西门子工艺系统。

主要工艺过程包括Sil—

Cl3合成、SiHCI氢化、SiHCI3提纯、SiHCl3还原、多晶硅后处理、还原炉尾气干法回收等，其特点为闭路循环系统，全部回收各环节的尾气，全面解决了传统西门子法生产多晶硅的过程中存在的物耗高、能耗高、环境污染严重等问题。

核心技术有如下几项：

sich氢化

SiCI氢化技术系统要求在较高温度和压力的条件下，将SiCl加H2转化为SiHCI3，由设计院设计反应器，计算整个系统平衡，确定工艺条件，编写操作规程，指导施工试车，最后实验得到在一定温度和压力条件下，SiCI一次转化率平均稳定在25％以上。

经一年多的稳定运行，证明系统是安全、可靠的，系统指标高于国外报导的一次转化率最大15％

的水平，国内首次在1OOVa多晶硅生产系统中采用，技术达到国际先进水平。

还原炉尾气干法回收

多晶硅还原尾气中的H2、HCI、SiHCI3、SiCI4等成分，经加压、冷却到一定的条件后，其中的SiHCI3、SiCI被冷凝分离出来，该混合物经分离塔后分别得到SiHCI3~DSiCI。

SiHCI3直接送还原系统生产多晶硅，SiCI4j~_氢化工序，经氢化后转化成Si-He3，再经分离塔分离后得到SiHCI3，也送还原工序生产多晶硅。

压缩、冷凝后的不凝气体，主要是

H27DHCI，在加压低温条件下，通过特殊的分离工艺，使H2、HC1分离出来，无杂质、无水分的纯H，返回还原工序重复利用，HCI送合成工序，生产Si-HCI3。

还原尾气干法回收可使尾气不接触任何水份，将其中的各种成份一一分开，不受污染地返回系统重复利用