多晶硅生產(chǎn)方法研究

成進(jìn)義

摘 要：多晶硅是一種非常重要的半導(dǎo)體材料，目前被廣泛應(yīng)用于各種電子元件制作中。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們?cè)谏a(chǎn)生活中對(duì)多晶硅的需求越來越多，對(duì)其生產(chǎn)工藝也提出了更高的要求。本文將主要探討多晶硅的性質(zhì)特點(diǎn)及在工業(yè)生產(chǎn)中的主要用途，并對(duì)多晶硅的各種生產(chǎn)方法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：多晶硅;生產(chǎn)方法;純度;應(yīng)用

傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法主要包括西門子法、硅煥法和流化床法等，但利用這種方法制作的多晶硅一般純度比較低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多晶硅的生產(chǎn)工藝和技術(shù)也在不斷精進(jìn)，涌現(xiàn)了許多成熟的生產(chǎn)方法，其中比較有代表性的就包括冶金法、熱還原法和碳遷徙法等，利用上述方法可以制得純度比較高的多晶硅，接下來我們將對(duì)這些方法進(jìn)行逐一探討。

1 多晶硅性質(zhì)及作用

目前所使用的多晶硅是一種混合物，其化學(xué)成分主要是二氧化硅。多晶硅的生產(chǎn)原料主要是石英硅和碳單質(zhì)，石英硅在一定的條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)我們所需要的二氧化硅，在這個(gè)過程中碳單質(zhì)主要起催化作用，促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行。根據(jù)所生產(chǎn)的多晶硅的純度不同可將其分為太陽能多晶硅和電子級(jí)多晶硅，二者用途也不一致。太陽能多晶硅目前主要用于生產(chǎn)太陽能電池，以助力于新能源開發(fā)。電子級(jí)多晶硅主要用于晶體管、微電子器件及大規(guī)模的集成電路，在計(jì)算機(jī)行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。

2 主要的多晶硅生產(chǎn)方法

2.1 西門子法生產(chǎn)多晶硅

西門子法誕生于上世紀(jì)五十年代，在不斷的應(yīng)用和改良中，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。利用西門子法生產(chǎn)多晶硅主要包括兩個(gè)步驟，第一步是利用金屬硅和氯化氫氣體在高溫條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成三氯氫硅。由于三氯化硅揮發(fā)性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較低，遇水容易水解，因此在生產(chǎn)過程中要保持密封狀態(tài)，并避免水蒸氣和其他氣體進(jìn)入。經(jīng)此反應(yīng)得到的三氯氫硅純度較低，需要進(jìn)行傳化，第二步是將提純后的三氯氫硅利用氣相沉積法還原成二氧化硅。由于在生產(chǎn)過程中有許多化學(xué)反應(yīng)是可逆反應(yīng)，因此選擇合適的物料比例以保持反應(yīng)的正向進(jìn)行對(duì)提高生產(chǎn)率尤為重要。在整個(gè)過程中氫氣的量對(duì)整體反應(yīng)的正向進(jìn)行影響最大，在生產(chǎn)重要精確控制其用量。

2.2 硅煥法生產(chǎn)多晶硅

硅煥是一種化學(xué)物質(zhì)，在高溫條件下可以被分解為硅和氫氣，利用這一性質(zhì)我們可以利用硅煥來生產(chǎn)多晶硅，但硅煥在分解時(shí)對(duì)于溫度比較敏感，需要不斷對(duì)溫度進(jìn)行觀察并實(shí)時(shí)跟蹤其反應(yīng)狀態(tài)。利用硅煥法生產(chǎn)多晶硅需要經(jīng)歷四個(gè)主要階段：氫化反應(yīng)、四氟化硅生成、硅煥生成、多晶硅生成。與利用西門子法生產(chǎn)多晶硅相比，硅煥法在進(jìn)行還原反應(yīng)時(shí)需要的溫度更高，生成多晶硅時(shí)的溫度則比較低，因此在這一方法下所產(chǎn)生的顆粒狀的多晶硅數(shù)量就比較少，但其優(yōu)點(diǎn)是與西門子法相比更加節(jié)約用電量，可降低電力消耗成本。

2.3 流化床法生產(chǎn)多晶硅

利用流化床法生產(chǎn)多晶硅的主要原料包括：氯化硅、氫氣、硅和氯化氫氣體等，整個(gè)反應(yīng)過程都在流化床中進(jìn)行。為了滿足整個(gè)體系反應(yīng)所需的高溫高壓條件，流化床始終保持沸騰高壓狀態(tài)。四氯化硅與硅和氫氣反應(yīng)生成三氯化氫硅，之后再與三氯化氫硅反應(yīng)生成二氯化氫硅，在通過兩次氧化還原反應(yīng)生成硅煥氣，為了得到固態(tài)的多晶硅，還需要在氣態(tài)物質(zhì)中加入小顆粒的硅粉。流化床法生產(chǎn)多晶硅效率高，速度快，但得到的產(chǎn)物純度一般比較低，同時(shí)安全性也缺乏保障，在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選用。

2.4 碳熱還原法生產(chǎn)多晶硅

利用高純度的碳熱還原生產(chǎn)多晶硅是近幾年來出現(xiàn)的一種全新的生產(chǎn)方法，該方法對(duì)環(huán)境危害小，所得到的產(chǎn)物純度也比較高。但由于此方法剛剛問世，在一些技術(shù)細(xì)節(jié)上還需要完善，因此目前在工業(yè)生產(chǎn)中使用較少。利用碳熱還原法生產(chǎn)多晶硅主要包括兩個(gè)步驟，首先是在高溫條件下利用高純度的碳單質(zhì)作為催化劑，使硅進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成二氧化硅。由于這一部所得到的二氧化硅中混有殘留的碳，因此還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分離提純。為了保證所生產(chǎn)的多晶硅的純度，反應(yīng)中對(duì)碳單質(zhì)和硅的純度要求都比較高。

2.5 固態(tài)電遷徙法生產(chǎn)多晶硅

固態(tài)電遷徙法的主要用途一般是金屬物質(zhì)的提純，但在生產(chǎn)中利用電遷徙法生產(chǎn)多晶硅的嘗試取得了良好的效果。固態(tài)電遷徙法主要是在電場(chǎng)中加入金屬物質(zhì)，對(duì)電流方向產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響帶電粒子在電場(chǎng)中的狀態(tài)，從而可以生產(chǎn)純度更高的物質(zhì)。在金屬物質(zhì)的影響之下，微粒的遷徙移動(dòng)主要包括三個(gè)方面，一是金屬物質(zhì)自身的電子流動(dòng)對(duì)整體帶來了影響，二是合金中的置換物質(zhì)在電場(chǎng)的作用下分別向不同的方向流動(dòng)，三是在電場(chǎng)作用下置換間隙中的微粒也發(fā)生了移動(dòng)，這三方面的遷徙可以進(jìn)一步去除雜質(zhì)，提高產(chǎn)物純度。

3 結(jié)語

多晶硅應(yīng)用廣泛，目前多晶硅的生產(chǎn)工藝和方法不斷向著多元化的方向發(fā)展，但提高多晶硅的生產(chǎn)效率和質(zhì)量始終是生產(chǎn)企業(yè)的不懈追求。在生產(chǎn)過程中企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身生產(chǎn)條件和純度要求，選擇合適的生產(chǎn)方法，才能生產(chǎn)出符合市場(chǎng)要求的高質(zhì)量的多晶硅。

參考文獻(xiàn)：

[1]張遵，余媛.影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的因素分析[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（11）：86.

[2]劉建華.試論太陽能多晶硅的制備生產(chǎn)工藝[J].化工管理，2018（21）：128.