多晶硅生产方法研究

成进义

摘 要：多晶硅是一种非常重要的半导体材料，目前被广泛应用于各种电子元件制作中。随着信息技术的发展和计算机的广泛应用，人们在生产生活中对多晶硅的需求越来越多，对其生产工艺也提出了更高的要求。本文将主要探讨多晶硅的性质特点及在工业生产中的主要用途，并对多晶硅的各种生产方法进行分析。

关键词：多晶硅;生产方法;纯度;应用

传统的生产方法主要包括西门子法、硅焕法和流化床法等，但利用这种方法制作的多晶硅一般纯度比较低。随着科学技术的发展，多晶硅的生产工艺和技术也在不断精进，涌现了许多成熟的生产方法，其中比较有代表性的就包括冶金法、热还原法和碳迁徙法等，利用上述方法可以制得纯度比较高的多晶硅，接下来我们将对这些方法进行逐一探讨。

1 多晶硅性质及作用

目前所使用的多晶硅是一种混合物，其化学成分主要是二氧化硅。多晶硅的生产原料主要是石英硅和碳单质，石英硅在一定的条件下发生氧化还原反应生产我们所需要的二氧化硅，在这个过程中碳单质主要起催化作用，促进反应正向进行。根据所生产的多晶硅的纯度不同可将其分为太阳能多晶硅和电子级多晶硅，二者用途也不一致。太阳能多晶硅目前主要用于生产太阳能电池，以助力于新能源开发。电子级多晶硅主要用于晶体管、微电子器件及大规模的集成电路，在计算机行业中应用十分广泛。

2 主要的多晶硅生产方法

2.1 西门子法生产多晶硅

西门子法诞生于上世纪五十年代，在不断的应用和改良中，生产技术已经十分成熟，已广泛应用于工业生产当中。利用西门子法生产多晶硅主要包括两个步骤，第一步是利用金属硅和氯化氢气体在高温条件下发生氧化还原反应生成三氯氢硅。由于三氯化硅挥发性较强，稳定性较低，遇水容易水解，因此在生产过程中要保持密封状态，并避免水蒸气和其他气体进入。经此反应得到的三氯氢硅纯度较低，需要进行传化，第二步是将提纯后的三氯氢硅利用气相沉积法还原成二氧化硅。由于在生产过程中有许多化学反应是可逆反应，因此选择合适的物料比例以保持反应的正向进行对提高生产率尤为重要。在整个过程中氢气的量对整体反应的正向进行影响最大，在生产重要精确控制其用量。

2.2 硅焕法生产多晶硅

硅焕是一种化学物质，在高温条件下可以被分解为硅和氢气，利用这一性质我们可以利用硅焕来生产多晶硅，但硅焕在分解时对于温度比较敏感，需要不断对温度进行观察并实时跟踪其反应状态。利用硅焕法生产多晶硅需要经历四个主要阶段：氢化反应、四氟化硅生成、硅焕生成、多晶硅生成。与利用西门子法生产多晶硅相比，硅焕法在进行还原反应时需要的温度更高，生成多晶硅时的温度则比较低，因此在这一方法下所产生的颗粒状的多晶硅数量就比较少，但其优点是与西门子法相比更加节约用电量，可降低电力消耗成本。

2.3 流化床法生产多晶硅

利用流化床法生产多晶硅的主要原料包括：氯化硅、氢气、硅和氯化氢气体等，整个反应过程都在流化床中进行。为了满足整个体系反应所需的高温高压条件，流化床始终保持沸腾高压状态。四氯化硅与硅和氢气反应生成三氯化氢硅，之后再与三氯化氢硅反应生成二氯化氢硅，在通过两次氧化還原反应生成硅焕气，为了得到固态的多晶硅，还需要在气态物质中加入小颗粒的硅粉。流化床法生产多晶硅效率高，速度快，但得到的产物纯度一般比较低，同时安全性也缺乏保障，在生产时应谨慎选用。

2.4 碳热还原法生产多晶硅

利用高纯度的碳热还原生产多晶硅是近几年来出现的一种全新的生产方法，该方法对环境危害小，所得到的产物纯度也比较高。但由于此方法刚刚问世，在一些技术细节上还需要完善，因此目前在工业生产中使用较少。利用碳热还原法生产多晶硅主要包括两个步骤，首先是在高温条件下利用高纯度的碳单质作为催化剂，使硅进行氧化还原反应生成二氧化硅。由于这一部所得到的二氧化硅中混有残留的碳，因此还需要进行进一步的分离提纯。为了保证所生产的多晶硅的纯度，反应中对碳单质和硅的纯度要求都比较高。

2.5 固态电迁徙法生产多晶硅

固态电迁徙法的主要用途一般是金属物质的提纯，但在生产中利用电迁徙法生产多晶硅的尝试取得了良好的效果。固态电迁徙法主要是在电场中加入金属物质，对电流方向产生影响，进而影响带电粒子在电场中的状态，从而可以生产纯度更高的物质。在金属物质的影响之下，微粒的迁徙移动主要包括三个方面，一是金属物质自身的电子流动对整体带来了影响，二是合金中的置换物质在电场的作用下分别向不同的方向流动，三是在电场作用下置换间隙中的微粒也发生了移动，这三方面的迁徙可以进一步去除杂质，提高产物纯度。

3 结语

多晶硅应用广泛，目前多晶硅的生产工艺和方法不断向着多元化的方向发展，但提高多晶硅的生产效率和质量始终是生产企业的不懈追求。在生产过程中企业应根据自身生产条件和纯度要求，选择合适的生产方法，才能生产出符合市场要求的高质量的多晶硅。

参考文献：

[1]张遵，余媛.影响多晶硅产品质量的因素分析[J].化工设计通讯，2018，44（11）：86.

[2]刘建华.试论太阳能多晶硅的制备生产工艺[J].化工管理，2018（21）：128.