硅化学制法.docx

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1、硅化学制法硅的化学制法学院：洛阳理工学院系别：材料科学与工程系专业：无机非金属专业班级：B070104学号：B07010419姓名：孙俊硅的化学制法摘要：本文通过对硅的分类介绍，扼要的对硅进行了分析，同过对硅的用处认识，具体地研究了硅的普通化学制法及国内外多晶硅生产的主要工艺技术。关键词：硅，单晶硅，多晶硅，化学制法正文硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。下面对单晶硅和多晶硅进行简单的介绍。硅，英文名：Monocrystallinesilicon，分子式：Si。

2、硅的单晶体。具有基本完好的点阵构造的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求到达99.9999，甚至到达99.9999999以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成很多晶核，假如这些晶核长成晶面取向一样的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。单晶硅是一种比拟活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组

3、成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用处是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等众多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。单晶硅建设项目具有宏大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达25.8%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。近年来，各种晶体材料，十分是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为现代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为一种极具潜能，亟待开发利用的高资源，正引起越来越多的关注和重视。

4、多晶硅，英文名：polycrystallinesilicon，性质：灰色金属光泽。密度2.322.34。熔点1410。沸点2355。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800以上即有延性，1300时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反响。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。由枯燥硅粉与枯燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、

5、精馏、复原而得。多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成很多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表如今物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。多晶硅的需求主要来自于和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级

6、。其中，用于电子级多晶硅占55左右，太阳能级多晶硅占45，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，估计到2020年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。1994年全世界太阳能电池的总产量只要69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。国际多晶硅主要技术特征有下面两点：1多种生产工艺道路并存，产业化技术封锁、垄断局面不会改变。由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽一样，因而生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用处、产品检

7、测方法、经过安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术机密，总的来讲，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改进西门子法、硅烷法和流化床法。其中改进西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。2新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。除了传统工艺电子级和太阳能级兼容及技术升级外，还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改进西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出法VLD：Vapertoliquiddeposition；复原或热分解工艺；无氯工艺技术，AlSi溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解

8、法等。硅作为半导体材料，金属陶瓷、宇宙航行的重要材料，光导纤维通信，最新的当代通信手段，性能优异的硅有机化合物等等，在国民建设，人民日常生活中得到广泛的应用，下面就对其化学的制法进行研究。超纯硅的制备方法，其特征在于，通过下面工序由金属硅制备超纯硅：A.将金属硅粉碎为细颗粒；B.将硅颗粒装入高频感应炉的坩埚内加热，通入氧气使硅中的杂质被氧化成氧化物；C.将硅颗粒装入搪玻璃反响釜内，参加盐酸并加热，使硅中的杂质反响成为氯化物，滤出反响液，通入氮气把硅颗粒水份吹干；D.将硅颗粒装入高频感应电炉的坩埚内加热，在一定的温度范围内通入氯气，使硅中的杂质进一步生成氯化物，停止通氯后使硅熔融直至更高的温度；

9、E.将硅熔体浇入预先放置有脱模剂的，有高级绝热效能的方斗形铸模内，缓慢地冷却以实现中间凝固，到达把杂质排除在坩埚内壁与内容硅间的周边，冷却脱模并清理后，获得铸块制品。F.将硅熔体或硅颗粒装入卧式多段式管式炉内，开启悬挂于钢轨下面嵌套在炉管径向外周，可沿炉管轴向方向移动的高频感应线圈，在开场中的一端朝轴向的另一端方向移动，即可把硅熔液中的杂质赶向炉管端头，把浓集杂质的一短炉管及内容硅取下后，装回端轴，把高频感应线圈调到开场的一端，重复上述操作趋赶杂质，又去掉浓集杂质的炉管小段。纯净的硅(Si)是从自然界中的石英矿石(主要成分二氧化硅)中提取出来的,分几步反响:1.二氧化硅和炭粉在高温条件下反响,

10、生成粗硅:SiO2+2C=Si(粗)+2CO2.粗硅和氯气在高温条件下反响生成氯化硅:Si(粗)+2Cl2=SiCl43.氯化硅和氢气在高温条件下反响得到纯净硅:SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl以上是硅的工业制法,在实验室中能够用下面方法制得较纯的硅:1.将细砂粉(SiO2)和镁粉混合加热,制得粗硅:SiO2+2Mg=2MgO+Si(粗)2.这些粗硅中往往含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质能够用盐酸除去:Mg+2HCl=MgCl2+H2MgO+2HCl=MgCl2+H2OMg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH43.过滤,滤渣即为纯硅下面再介绍几种国内外多晶硅生产的主要工艺技术。1，改

11、进西门子法闭环式三氯氢硅氢复原法改进西门子法是用氯和氢合成氯化氢或外购氯化氢，氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢复原炉内进行CVD反响生产高纯多晶硅。国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。2，硅烷法硅烷热分解法硅烷SiH4是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物复原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只要日本小松把握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。但美国Asimi和SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。3，

12、流化床法以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内沸腾床高温高压下生成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢反响生成二氯二氢硅，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反响炉内进行连续热分解反响，生成粒状多晶硅产品。由于在流化床反响炉内介入反响的硅外表积大，生产效率高，电耗低与成本低，适用于大规模生产太阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差，危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能知足太阳能电池生产的使用。此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界上只要美国MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比拟合适生产价廉的太阳能级多晶硅。4，太阳能级多晶硅新工艺技术除了上述改进

13、西门子法、硅烷热分解法、流化床反响炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门生产太阳能级多晶硅新工艺技术。1冶金法生产太阳能级多晶硅据资料报导1日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太阳能电池厂SHARP公司应用，现已构成800吨/年的生产能力，全量供应SHARP公司。主要工艺是：选择纯度较好的工业硅即冶金硅进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直

14、接生成太阳能级多晶硅。2气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅据资料报导1以日本Tokuyama公司为代表，目前10吨试验线在运行，200吨半商业化规模生产线在2005-2006年间投入试运行。主要工艺是：将反响器中的石墨管的温度升高到1500，流体三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁1500高温处反响生成液体状硅，然后滴入底部，温度回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。3重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅据美国CrystalSystems资料报导1，美国通过对重掺单晶硅生产经过中产生的硅废料提纯后，能够用作太阳能电池生产用的多晶硅，最终成本价可望控制在20美元/Kg下面。通过各种工业方法对硅的提取、提纯一件件“硅产品在人们的生活中得到了完美的展现，其高节能，高环保的产品为人们生产生活带来了无限的方便。