多晶硅生產方法研究

成進義

摘 要：多晶硅是一種非常重要的半導體材料，目前被廣泛應用于各種電子元件制作中。隨著信息技術的發(fā)展和計算機的廣泛應用，人們在生產生活中對多晶硅的需求越來越多，對其生產工藝也提出了更高的要求。本文將主要探討多晶硅的性質特點及在工業(yè)生產中的主要用途，并對多晶硅的各種生產方法進行分析。

關鍵詞：多晶硅;生產方法;純度;應用

傳統(tǒng)的生產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。隨著科學技術的發(fā)展，多晶硅的生產工藝和技術也在不斷精進，涌現了許多成熟的生產方法，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，接下來我們將對這些方法進行逐一探討。

1 多晶硅性質及作用

目前所使用的多晶硅是一種混合物，其化學成分主要是二氧化硅。多晶硅的生產原料主要是石英硅和碳單質，石英硅在一定的條件下發(fā)生氧化還原反應生產我們所需要的二氧化硅，在這個過程中碳單質主要起催化作用，促進反應正向進行。根據所生產的多晶硅的純度不同可將其分為太陽能多晶硅和電子級多晶硅，二者用途也不一致。太陽能多晶硅目前主要用于生產太陽能電池，以助力于新能源開發(fā)。電子級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，在計算機行業(yè)中應用十分廣泛。

2 主要的多晶硅生產方法

2.1 西門子法生產多晶硅

西門子法誕生于上世紀五十年代，在不斷的應用和改良中，生產技術已經十分成熟，已廣泛應用于工業(yè)生產當中。利用西門子法生產多晶硅主要包括兩個步驟，第一步是利用金屬硅和氯化氫氣體在高溫條件下發(fā)生氧化還原反應生成三氯氫硅。由于三氯化硅揮發(fā)性較強，穩(wěn)定性較低，遇水容易水解，因此在生產過程中要保持密封狀態(tài)，并避免水蒸氣和其他氣體進入。經此反應得到的三氯氫硅純度較低，需要進行傳化，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。由于在生產過程中有許多化學反應是可逆反應，因此選擇合適的物料比例以保持反應的正向進行對提高生產率尤為重要。在整個過程中氫氣的量對整體反應的正向進行影響最大，在生產重要精確控制其用量。

2.2 硅煥法生產多晶硅

硅煥是一種化學物質，在高溫條件下可以被分解為硅和氫氣，利用這一性質我們可以利用硅煥來生產多晶硅，但硅煥在分解時對于溫度比較敏感，需要不斷對溫度進行觀察并實時跟蹤其反應狀態(tài)。利用硅煥法生產多晶硅需要經歷四個主要階段：氫化反應、四氟化硅生成、硅煥生成、多晶硅生成。與利用西門子法生產多晶硅相比，硅煥法在進行還原反應時需要的溫度更高，生成多晶硅時的溫度則比較低，因此在這一方法下所產生的顆粒狀的多晶硅數量就比較少，但其優(yōu)點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 流化床法生產多晶硅

利用流化床法生產多晶硅的主要原料包括：氯化硅、氫氣、硅和氯化氫氣體等，整個反應過程都在流化床中進行。為了滿足整個體系反應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生成三氯化氫硅，之后再與三氯化氫硅反應生成二氯化氫硅，在通過兩次氧化還原反應生成硅煥氣，為了得到固態(tài)的多晶硅，還需要在氣態(tài)物質中加入小顆粒的硅粉。流化床法生產多晶硅效率高，速度快，但得到的產物純度一般比較低，同時安全性也缺乏保障，在生產時應謹慎選用。

2.4 碳熱還原法生產多晶硅

利用高純度的碳熱還原生產多晶硅是近幾年來出現的一種全新的生產方法，該方法對環(huán)境危害小，所得到的產物純度也比較高。但由于此方法剛剛問世，在一些技術細節(jié)上還需要完善，因此目前在工業(yè)生產中使用較少。利用碳熱還原法生產多晶硅主要包括兩個步驟，首先是在高溫條件下利用高純度的碳單質作為催化劑，使硅進行氧化還原反應生成二氧化硅。由于這一部所得到的二氧化硅中混有殘留的碳，因此還需要進行進一步的分離提純。為了保證所生產的多晶硅的純度，反應中對碳單質和硅的純度要求都比較高。

2.5 固態(tài)電遷徙法生產多晶硅

固態(tài)電遷徙法的主要用途一般是金屬物質的提純，但在生產中利用電遷徙法生產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中加入金屬物質，對電流方向產生影響，進而影響帶電粒子在電場中的狀態(tài)，從而可以生產純度更高的物質。在金屬物質的影響之下，微粒的遷徙移動主要包括三個方面，一是金屬物質自身的電子流動對整體帶來了影響，二是合金中的置換物質在電場的作用下分別向不同的方向流動，三是在電場作用下置換間隙中的微粒也發(fā)生了移動，這三方面的遷徙可以進一步去除雜質，提高產物純度。

3 結語

多晶硅應用廣泛，目前多晶硅的生產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效率和質量始終是生產企業(yè)的不懈追求。在生產過程中企業(yè)應根據自身生產條件和純度要求，選擇合適的生產方法，才能生產出符合市場要求的高質量的多晶硅。

參考文獻：

[1]張遵，余媛.影響多晶硅產品質量的因素分析[J].化工設計通訊，2018，44（11）：86.

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