多晶硅的用途与生产工艺简介

多晶硅的用途与生产工艺简介内容摘要：

原炉（ 硅棒对数 从 9 对、 12 对到 50 对，硅芯长度从 米、 2 米到 米或 米 ）。 2)，还原炉尾气采用 “ 干法回收 ” ，回收 H HCL 与硅氯化物； 3），四氯化硅氢化 转化为三氯氢硅，再循环回收 利用。 另外，还有还原炉筒导热油循环冷却工艺技术，与上述三大技术合称为 多晶硅的四项技术， 还原炉筒导热油循环冷却工艺技术 在峨嵋 半导体材料厂开发成功，并长期使用。 国 外采用该工艺不多， 新光公司由于设计没有采用导热油循环冷却技术，而是用热水替代了导热油来 进行热能的综合利用。 11 四、多晶硅生产的主要特点 多昌硅生产的主要特点可归纳成下列 6 点。 1，工艺原理比较简单 H2 + CL2 = 2HCL 3HCL + Si = SiHCl3 + H2 SiHCl3 + H2 = Si + 3HCL SiCl4+ H2 = SiHCl3+ HCL 是一般的化学反应 2，工艺过程比较复杂 前段工序基本上是一个化工过程，后段工序是一个化学冶金过程。 工艺过程复杂，流 程长，牵涉的辅助条件和设施多。 前面介绍的 有 20 个方面的配套设施 ，都是为还原炉生产多晶硅服务的。 3，产品纯度要求高 （ N 型 500 与 P 型 5000Ω .cm， Fe ≤ 5 PPbw,Cu ≤ 1 PPbw） 这是最主要的特点，产品纯度是 PPb 级，甚至是 PPt 级的，所以从原料开始就要严重格把关，提纯工序是精密提纯过程，多晶硅的质量好坏主要决定于提纯工序，生产过程要避免设备材质的沾污，要避免工艺上有大的波动引起中间产品质量的波动。 生产过程要连续稳定运行，设备要精良，不能经常拆卸维修，否则多晶硅的质量无法保证。 可以说没有 质量就没有半导体多晶硅，就没有半导体产品，我国电子工业就要受到影响，就没有国防现代化、科技术现代化，人们的生活质量就不能提高。 4，多晶硅产品是个高能耗的产品 电耗占多晶硅的成本 3560%，主要是还原与氢化反应的用电，所以国外都采用多对棒大型还原炉，利用热辐射来减少能耗，同时进行热能的综合利用。 还原反应本身的砂电不大，约供电量的 13%，而8090%由循环冷却水带出而耗电，所以必须要把水带出的热量加以回收再利用（峨嵋厂采用导热油冷却，而新光厂采用高温高压主热水冷却。 5，多晶硅生产的安全性 1） 原料氯是 一种有毒、有剌激性气味 ，对人体的器官有毒害，空气中含量要低于 1mg/m3； 2） 原料氢是一种易燃易爆的气体 ，在空气中含氢 %，氧气中含氢 495%都可能发生爆炸； 3） 硅氯化物 是一种易燃易爆 有毒有害 的 液 体 ， 三氯氢硅的闪点 是 28℃，空气中允许的浓度低于1mg/m3，硅氯化物极易水解，水解产物是 SiO2 与 HCL。 HCL 对人体有毒害作用，空气中允许的浓度低于 15mg/m3 ，硅粉在一定的条件下也有发生爆炸的危险； 4） 氮氧化物（ NO2， NO），氮氧化物也是一种有毒草的气体 ，使人头痛、胸痛，恶心中毒与肺水肿； 5） 用电 安全 ，可以使用到高电压，因此要特别注意用电安全。 所以从事多晶硅生产必须要做好安全工作，从安全设施、安全管理，员工的安全意识，员工的安全技术培训等都是十分重要的。 12 6，多晶硅建厂的投资大 多晶硅产品是属于高技术产品，是属于高技术产业，又是很重要的基础材料。 多晶硅建厂的投资大 ，技术密集，但 多晶硅本身效益不是很高。 但没有这种材料，半导体工业、电子工业就不能发展，导致国防工业、军事工业，以至整个国民经济、人民生活、国防安全都得不到保障。 兴建多晶硅厂必须考虑到 ： 1），多晶硅产品的质量必须有竞争能力 ， B、 P、 碳与金属杂质含量要求低，纯度高， LSI 质量要求是：受主杂质（ B、 AL）≤ , 施主杂质（ P、 As, Sb）≤ ,碳含量≤ ，重金属（ Fe Ni Cr Zn）总含量≤ 1PPba . 区熔用的多晶硅质量要求更高，但价格也高效益好。 2），生产成本要低 低于 30 或 20 美元 /KgSi） 通过 4050 年的电子级多晶硅生产的发展，取得了很大的进步，国外工厂均以闭环生产方式，三氯氢硅的一次转化率为 812%，追求高的转化率不是最佳的工作条件，因为此时沉积速度低，浪费电能。 低的 转化率与高的沉积速率可提高热能利用率，但需配备有大的回收系统。 先进的工厂都配有完善的回收系统，并采用高的沉积速率，可达到。 现代化大型还原炉可装 4850 对硅棒。 一台还原炉平均沉积速度 37Kg/h， 56 台还原炉就可以生产 1000t/a 多晶硅。 多晶硅的电耗可降至 100120Kwh/KgSi，综合电耗为 170Kwh/KgSi。 有了先进的工艺才能保证多晶硅的质量和降低成本，提高效益。 3）要有专门的技术力量或技术人才 多年来我国为引进多晶硅生产技术作了许多努力，但西方国家和日本的先进 大型多晶硅公司拒绝转让技术，对我国实行技术封锁，声称不培养竞争对手。 因此，我们今后一方面仍应继续争取引进国外先进的新技术或与国外公司合作，扩大多晶硅的生产，另一方面要组织国内技术力量，消化吸收并开展技术创新，努力开发我国规模化多晶硅生产的自有技术。 因此 摆在我们 XXXX 硅业公司每个员工面前， 1）必须要加强管理，减少投资，加快建设进度； 2）采用先进的生产工艺，降低能耗与物耗，降低生产成本； 3）提高自动化水平，确保产品质量，提高多晶硅产品的品位，提高销售额； 4）开展综合利用，多品种分档次 (探测器 级、区熔级、 IC 级、太阳能级，物尽其用，生产高质量多晶硅的同时，生产一般工业级产品，太阳能级多晶硅、氯化钙、硝酸钙，有机硅与白炭黑）。 最后让我们公司全体员工团结奋战，克服前进中的的各种困难，加快建设进度，为 3000t/a 多晶硅生产厂争取早日建成投产，并进一步扩大多晶硅生产规模，建成“中国一流，世界前列”的多晶硅生产基地而共同努力。 13 五、 多晶硅生产的主要工艺过程 1，多晶硅生产的主要原料 液氯 (外购 )，工业硅粉 (外购 )，氢气（自产），当然还有如硅芯、石墨件，化学试剂等辅助材料。 2，多晶硅生产 的主要工艺过程 1），液氯汽化（热水加热液氯钢瓶）； 2）， HCL 合成（ H2 + CL2 燃烧合成）； 3） ， 硅粉制备（工业硅破碎、球磨、过筛与检测）； 4） ， 三氯氢硅合成（硅粉与 HCL 反应，严格控制温度） 配有 CDI1 合成气干法回收装置 ； 5），硅氯物的分离，三氯氢硅的提纯（除硼工艺，精馏提纯 40 台塔分两个系列 ，合成料经 5 级精馏提纯， 还原和氢化 回收料经 2 级精馏提纯 ， 配有精馏提纯塔 21 台 ）； 6），硅芯制备与腐蚀（硅芯 拉制、切割、 切口、整形、腐蚀、清洗与干燥，含石墨件的处理）； 7），三氯氢硅氢还原生产多晶硅 （ 配有 18 对棒炉 还原炉 1618 台 ） ； 8） ， 还原炉尾气回收 装置 （ CDI2 干法回收 ，尾气洗涤、增压、冷却、吸收、脱吸，氯硅烷、 H2与 HCL 输送 ） ； 9），四氯化硅氢化（氢化转化为三氯氢硅，再循环 利用 ， 配有 18 对发热体的氢化炉 810 台 ） ； 10），氢化炉尾气回收 装置 （ CDI3 干法回收，尾气洗涤、增压、冷却、吸收、脱吸，氯硅烷、 H2与 HCL 输送）； 11），多晶硅成品的破碎、整理、腐蚀、清洗、干燥、检测与包装； 12），中间产品和最终产品的分析检测； 13），电解水制氢与氢气净化提纯； 14） ， 空分制氮（ 生产中的保护气体）； 15），压缩空气制备（自控与工艺使用）； 16）， 锅炉生产蒸汽（供精馏塔加热与制备蒸馏水）； 17），冷冻站（供冷却水）； 18），供配电站； 19），供水站（供自来水、 脱盐水、 循环水、冷冻盐水与超纯水）； 20），三废处理：建有尾气和废液处理装置和综合利用， 可 制备工业级的产品 —— 氯化钙与硝酸钙。 多晶硅的生产是一个系统工程， 需要 供入原料排出废物，生成多晶 硅。 好比 一个人一样，人需要吃进食物，也要排出废物。 中控室好比 人的大脑，合成 、 提纯 和 还原装置好 比 人的嘴巴、胃肠与心脏，各种管道好 比 人 的 血管。 生产过程中各个部位都要 互相 配合 ， 缺一不可 .。 14 附件 1：国外多晶硅工艺流程示意图 060919 1，德国瓦克多晶硅工艺流程 2， 美国 哈姆洛克多晶硅工艺流程 低沸物 化学应用 TCS 半导体级 SiHCL3 外购 HCL 高沸物化学应用 半导体级 无水 HCL SiHCL3 H2 半导体级 SiH2CL2 光纤级 SiCL4 排气 供料 液 H2 外购 硅粉 外购 HCL HCL SiHCL3 提纯 多晶硅制取 多晶硅 产品 SiCL4 气相白炭 黑产品 尾气回收 SiCL4 转化 气相白炭黑生产 冶金级 硅 粉 流 化床 沸腾炉 SiHCL3 合成 精馏 提纯 SiHCL3 回收工艺 CVD 多晶硅 (分解炉 ) HCL 回收 H2 回收料分离 SiHCL3 补充 H2 15 3， 日本 三菱公司多晶硅工艺流程 TCS 4，共同特点： 1），无 HCL 合成，均外购 HCL 和硅粉合成三氯氢硅。 2）， HSC 公司使用液态氢，自已不生产氢气。 3）， 德国瓦克公司的 STC 用来生产气相白炭黑产品。 HCL TCS 合成 精馏 提纯 还 原 多晶硅 STC 尾气回 收 TCS+STC 硅粉 98% 切断破碎 腐蚀干燥 多晶硅棒 包装出 厂 最终检测 16 附件 2： 3000 吨 /年项目 主要工序产品产量与消耗指标设计 序号 项 目 单位 数量 (产量 ) 单耗 /KgSi 备 注 一 主要原材消耗 1 硅 粉 t/a 合成料不外购全部由工厂合成时 消耗 2 液 氯 t/a 合成料不外购全部由工厂合成时 消耗 二 主要产品产量 1 氢 气 t/a 相当于 Nm3/KgSi 2 HCL 回收 t/a 生产 t/a 小计 t/a 3 合 成 氯硅烷 合成 t/a 外购 t/a 20200 小计 t/a 4 精 馏 纯 TCS 合成 t/a 还原 t/a 氢化 t/a 小计 t/a 5 硅 芯 根 62020 6 多晶硅 年产量 保证 t/a 3030 最大 t/a 3500 附件 3： 9 对棒、 12 对棒与 18 对棒主要工艺 指标 对比 序号 项 目 名 称 单 位 9 对棒炉 12 对棒炉 18 对棒炉 备 注 1 炉内直径 mm 1200 1600 1550 2 炉内高度 mm 2700 3500 3200 总高 4450 3 硅芯单根长度 mm 2020 2800 2500 4 硅芯总长度 m 38 67 90 5 设计径向生长速度 mm/h 6 设计沉积速度 Kg/h 1819 2030 7 设计硅棒生长直径 mm 120 150(max.) 125(max.) 8 设计单炉生长时间 h 192 1401。