单晶硅的生产原理与工艺
学号：06140107 姓名：李国雄
摘要 简要介绍了晶体硅的性质、用途和工业发展应用现状，较详细地介绍和比较了多晶硅和单晶硅的生产工艺。通过对不同用途所采用的不同工艺分析对比，得出其在相应领域的较优工艺，尤其对太阳能级晶体硅的生产工艺作了较深的分析：最简单也是目前最实用方法是改良西门子法，变原来的开放式为闭环式，节约能源，减少污染；而最有发展潜力的是电感耦合等离子体化学气相沉积法。 关键字 多晶硅 单晶硅 发展现状 原理 工艺
一、晶体硅的性质
[1]
多晶硅，CAS登记号7440-21-3，具有灰金属光泽，～，熔点1410℃，沸点2355℃。溶于
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、硫等反应。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。通常由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。 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许多晶核，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现在物理性质方面。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。
[2]ctsb
单晶硅（Monocrystalline silicon）就是硅的单晶体，也称硅单晶。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅是电子信息材料中最基础性材料，是一种良好的半导体材料。
单晶硅具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。一般纯度要求达到％，甚至达到99999％以上，用于制造半导体器件、太阳能电池等。通常用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。
二、晶体硅的用途
晶体硅主要用于制作半导体元件，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。
高纯晶体硅是电子工业和太阳能光伏产业的基础原料，在未来的50年里，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子和光伏产业主要原材料[3]。
三、晶体硅的工业发展近状
国际晶体硅产业状况
当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等谐振隧穿器件
3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。 多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，以前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， 2008年太阳能多晶硅的需求量超过了电子级多晶硅。
1994年全世界太阳能电池的总产量只有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。
据悉，美国能源部计划到2010年累计安装容量4600MW，日本计划2010年达到5000MW，
欧盟计划达到6900MW，预计2010年世界累计安装量至少18000MW。从上述的推测分析，至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30000吨以上。据国外资料分析报道，世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨，半导体级需求量约为19000吨，略有过剩；太阳能级的需求量为15000吨，供不应求，从2006年开始太阳能级和半导体级多晶硅需求的均有缺口，其中太阳能级产能缺口更大。
据日本稀有金属杂质2005年11乐谱架月24日报道，世界半导体与太阳能多晶硅需求紧张，主要是由于以欧洲为中心的太阳能市场迅速扩大，预计2006年，2007年多晶硅供应不平衡的局面将为愈演愈烈，多晶硅价格方面半导体级与太阳能级原有的差别将逐步减小甚至消除，2005年世界太阳能电池产量约1GW，如果以1MW用多晶硅12吨计算，共需多晶硅是万吨，2005－2010年世界太阳能电池平均年增长率在25％，到2010年全世界半导体用于太阳能电池用多晶硅的年总的需求量将超过万吨。
世界多晶硅主要生产企业有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能绝大部分在1000回铃音吨以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在假牙加工3000－5000吨。
国际多晶硅主要技术特征有以下两点：
（1）多种生产工艺路线并存，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相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良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。
（烧镁砖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：改良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：Vaper to liquid deposition）；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。
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