氯氢硅氢还原制备高纯多晶硅

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1、三氯氢硅氢还原制备高纯多晶硅1．高纯多晶硅生产工艺简介20世纪50年代，联邦德国西门子公司研究开发出大规模生产多晶硅的技术，即通常所说的西门子工艺。多晶硅生产的西门子工艺，其原理就是在表面温度1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯含硅反应物，使反应生成的硅沉积在硅芯上。改良西门子方法是在传统西门子方法的基础上，具备先进的节能低耗工艺，可有效回收利用生产过程中大量的SiCl4、HCl、H2等副产物以及大量副产热能的多晶硅生产工艺。经过半个世纪的发展，多晶硅的制备从生产技术、规模、质量和成本都达到空前的水平，主要集中在美国、日本、德国三个国家。这三国几乎垄断了世界多

2、晶硅市场。多晶硅生产的技术仍在进步发展，比如现在出现的硅棒对数达上百对的还原炉，可以使多晶硅的还原能耗降低到一个新的水平。多晶硅的规格形态：表面无氧化杂质，呈银灰色带有金属光泽Si含量99.9999%（太阳能级）99.9999999（电子级）B含量≤0.003PPb(W)P含量≤0.3PPb(W)C含量≤100PPb(W)体内金属含量≤0.5PPb(W)（Fe,Cu,Ni,Zn,Cr）2．三氯氢硅氢还原反应基本原理2.1三氯氢硅氢还原反应原理SiHCl3和H2混合，加热到900℃以上，就能发生如下反应：同时，也会产生SiHCl3的热分解以及SiCl4的还原反应:此外

3、，还有可能有以及杂质的还原反应：这些反应,都是可逆反应，所以还原炉内的反应过程是相当复杂的。在多晶硅的生产过程中，应采取适当的措施，抑制各种逆反应和副反应。以上反应式中，第一个反应式和第二个反应式可以认为是制取多晶硅的基本反应，应尽可能地使还原炉内的反应遵照这两个基本反应进行。2.2SiHCl3氢还原反应的影响因素2.2.1反应温度SiHCl3被氢气还原以及热分解的反应是吸热反应。所以，从理论上来说，反应的温度愈高则愈有利于反应的进行。例如，以一定的氢气配比，在1240℃时还原SiHCl3，沉积硅的收率较1000℃时沉积硅的收率高大约20%。此外，反应温度高，硅的结

4、晶性就好，而且表面具有光亮的金属光泽；温度越低，结晶变得细小，表面呈暗灰色。反应温度也不能过高，因为:1)硅与其他半导体材料一样，从气相往固态载体上沉积时有一个最高温度值，反应温度超过这个值时，随着温度的升高沉积速率反而下降。各种不同的硅卤化物有不同的最高温度值，反应温度不应超过这个值。此外，还有一个平衡温度值，高于该温度才有硅沉积出来。一般说来，在反应平衡温度和最高温度之间，沉积速率随温度增高而增大。2)温度过高，沉积硅的化学活性增强，受到设备材质沾污的可能性增加，造成多晶硅的质量下降。3)直接影响多晶硅品质的磷硼杂质，其化合物随温度增高，还原量也增大，从而进入多

5、晶硅中，使多晶硅的质量下降。4)温度过高，还会发生硅的腐蚀反应:所以过高温度是不适宜的。但是温度过低对反应也不利，例如在900～1000℃时，S1HC13的还原反应就不是主要的，而主要是SiHCl3的热分解反应，将导致SiHC13的转化率降低。在1080～1200℃范围内，SiHCl3的反应以氢还原反应为主，生产中常采用的反应温度为1080～1100℃左右。需要注意的是硅的熔点为1410到1420℃，与反应温度比较接近，因此生产中应严格控制反应温度的波动，以免温度过高使硅棒熔化倒塌，造成较大损失。图1反应温度对还原反应的影响2.2.2反应配比还原反应时,氢气与SiH

6、C13的摩尔数之比(也叫配比〕对多晶硅的沉积有很大影响。只有在较强的还原气氛下，才能使还原反应比较充分地进行，获得较高的SiHC13转化率。如果按反应式计算所需的理论氢气量来还原SiHC13,那么不会得到结晶型的多晶硅，只会得到一些非晶态的褐色粉末，而且收率极低。增加氢气的配比，可以显著提高SiHC13的转化率。图4-2表示SiHC13在不同氢气配比情况下的理论平衡转化率。图2SiHC13在不同氢气配比情况下的理论平衡转化率通常，实际的转化率远远低于理论值。一方面是因为还原过程中存在各种副反应，另一方面是实际的还原反应不可能达到平衡的程度。但是，总的情况仍然是还原转

7、化率随着氢气与SiHC13的摩尔比的增大而提高，氢气与SiHC13的配比不能过大，因为：1)氢气量太大，稀释了SiHC13的浓度，减少SiHC13分子与硅棒表面碰撞的机会，降低硅的沉积速度，也就降低了单位时间内多晶硅的产量。同时，大量的氢气得不到充分的利用，增加了消耗。2)从BC13,PCI3的氢还原反应可以看出，过高的氢气浓度不利于抑制B、P的析出，从而影响产品质量。由此可知，配比增大，则SiHC13的转化率也增大，但是多晶硅的沉积速率会降低。对于低配比所带来的SiHC13一次转化率降低的影响，可以通过尾气回收未反应的SiHC13，返回多晶硅还原生产中去使用，