单晶硅与多晶硅生产技术问答

本书阐述了单晶硅与多晶硅生产的基本原理和主要设备，列举了实际生产技术方面的基础知识，还给出了大量技术实例，论述了单晶硅与多晶硅生产操作方法和安全生产注意事项等。本书所列多是单晶硅与多晶硅生产企业人员应知和应会的技术内容及理论问题，注重理论与实践的紧密结合，以培养职业岗位实际能力为目标，突出强调应用性和实践性。 本书根据编者多年实践经验进行编写，既有操作实践知识，又有基础理论；力求深入浅出，通俗易懂。希望通过本书出版，能为促进我国光伏产业发展，并对生产一线的读者能有所帮助

第1章硅的基本知识

11什么是硅？1

12为什么有人将硅称为矽？2

13硅在地球上的储量是怎样的？2

14人类是何时首次获得单质硅的？2

15为什么说硅是碳族元素？3

16硅有什么物理性质？4

17硅有什么化学性质？硅有什么电学性能？4

18工业用硅是怎样分类的？5

19什么是工业硅？5

110工业硅是怎样生产的？5

111对工业硅有什么要求？7

112什么是硅石？什么是水晶石？8

113什么是硅粉？什么是石英粉？什么是白炭黑？8

114自然界的物质有哪三种状态？9

115什么是晶体？什么是非晶体？10

116什么是解理性？11

117什么是各向异性？12

118什么是晶面？什么是晶向？12

119硅晶体不同晶面或晶向有什么不同？13

120什么是晶体缺陷？什么是位错？14

121晶体与非晶体哪个内能高？15

122晶体与非晶体的熔点有什么不同？15

123什么是霍尔效应？16

124什么是多晶硅？什么是单晶硅？16

125多晶硅有什么用途？单晶硅有什么用途？17

126什么是纯度？20

127纯度怎么表示？20

128什么是分凝现象？什么是分凝系数？22

129杂质对半导体有什么影响？22

130杂质在半导体中有什么作用？23

131什么是本征半导体？什么是杂质半导体？23

132什么是半导体？半导体有哪些独特的性能？24

133半导体材料的种类有哪些？25

134什么是电阻率？什么是电导率？26

135半导体与金属导体有什么不同？27

136为什么半导体的导电不如导体？28

137杂质在半导体中有什么作用？29

138半导体中的杂质可分为哪两类？电中性杂质对半导体有哪些作用？29

139杂质在半导体的晶格中占什么位置呢？30

140什么是载流子？什么是带正电的载流子？30

141什么是载流子浓度？31

142什么是载流子迁移率？31

143什么是载流子复合？什么是平衡状态？什么是寿命？32

144什么是多数载流子？什么是少数载流子？32

145什么是P型半导体？什么是N型半导体？33

第2章单晶硅的生产方法

21什么是单晶硅？什么是“FZ”单晶？什么是“CZ”单晶？34

22直拉法单晶硅是怎样生产的？35

23什么是籽晶？单晶硅生产对籽晶有哪些要求？37

24怎样进行化学处理？37

25装炉时应该注意什么？38

26什么是真空？什么是真空度？39

27种晶时应该注意什么？39

28怎样缩颈？怎样放肩？40

29怎样等径？怎样收尾？41

210拉晶时温度和拉速是怎样变化的？41

211单晶硅中都含有哪些杂质？42

212氧杂质对单晶硅有什么影响？什么是内吸杂工艺？42

213碳杂质对单晶硅有什么影响？43

214金属杂质对单晶硅有什么影响？44

215掺杂方法有哪几种？44

216什么是浮渣？出现浮渣怎样处理？45

217什么是跳硅？什么是搭桥？出现跳硅和搭桥怎样处理？45

218拉单晶时会出现哪些不正常现象？46

219影响单晶硅纵向均匀性的有哪些因素？有哪些解决方法？47

220影响单晶硅径向均匀性的有哪些因素？有哪些解决方法？47

221在保护气氛中与真空下拉晶有什么不同？48

222单晶硅产生位错有哪些原因？怎样减少位错？48

223什么是晶变？49

224什么是直拉单晶硅的减压工艺？49

225什么是磁场直拉单晶硅生产法？51

226晶体生长时固液界面有哪几种？如何保持固液界面平坦？51

227对单晶炉的热系统有哪些改良？52

228什么是区熔提纯法？什么是悬浮区熔法？53

229悬浮区熔法生长单晶与直拉法生长单晶比较各有什么优缺点？55

230区熔时怎样接棒？56

231籽晶与硅棒怎样连接？56

232区熔过后出现多晶怎么办？57

第3章多晶硅的生产方法

31多晶硅的生产方法有哪些？其中传统的生产方法有哪些？新（现代）的生产方法有哪些？58

32常用的传统生产法是哪几种？59

33什么是改良西门子法？60

34最初的西门子法的工艺流程是怎样的？61

35西门子法经过了哪些改良？69

36什么是冷氢化法？什么是热氢化法？74

37什么是四氯化硅氢还原法？74

38什么是硅烷裂解法？79

39精馏提纯法硅烷裂解法的工艺流程是怎样的？80

310吸附提纯法硅烷裂解法的工艺流程是怎样的？85

311什么是四氯化硅锌还原法？87

312什么是流化床？什么是流化床法？88

313什么是气液沉积法？89

314什么是三氯氢硅和四氯化硅混合源生产多晶硅的方法？90

315什么是多晶硅与石英玻璃的联合制备法？90

316一种没有四氯化硅排放的多晶硅的生产法是怎么回事？94

317什么是提纯？提纯的方法有哪些？95

318什么是化学提纯法？什么是物理提纯法？97

319什么是CVD法？什么是PVD法？97

320什么是硅源？97

321改良西门子法的还原炉里怎么会有四氯化硅？98

322四氯化硅氢还原法的还原炉里怎么会有三氯氢硅？98

323氢还原法生产多晶硅的生长速率与什么有关？99

324氢还原反应有什么条件？氢还原的反应过程是怎样的？99

325氢还原工序除了还原炉还需要什么？100

326氢还原的具体工艺流程是怎样的？101

327还原炉是用什么方法加料的？104

328什么是置换？怎么置换？104

329还原炉的启动方法有哪几种？105

330多晶硅工厂建成后怎么开车？105

331怎样防止多晶硅倒棒？111

332还原炉装炉时应该注意什么？112

333还原炉运行时应该注意什么？112

334还原炉停炉拆炉时应该注意什么？113

335影响还原效果的因素有哪些？113

336什么是夹层？什么是氧化分层？114

337为什么要还原炉开炉时慢升温，停炉时慢降温？114

第4章三氯氢硅和四氯化硅的生产方法

41什么是三氯氢硅？三氯氢硅有什么用途？115

42什么是四氯化硅？四氯化硅有什么用途？116

43四氯化硅是怎样制备的？117

44三氯氢硅是怎样制备的？121

45生产三氯氢硅为什么用粉状工业硅？生产四氯化硅为什么用块状工业硅？125

46三氯氢硅是怎样提纯的？125

47四氯化硅是怎样提纯的？128

48什么是饱和蒸汽、饱和蒸汽压？129

49什么是物理提纯？什么是化学提纯？129

410四氯化硅的颜色太重是什么原因？130

411什么是汽化？什么是液化？130

412什么是蒸发？131

413什么是沸腾？什么是沸点？131

414什么是高沸点？什么是低沸点？131

415什么是易挥发组分？什么是难挥发组分？131

416什么是蒸馏？什么是精馏？131

417三组分的液体混合物怎么精馏？132

418什么是回流比？133

419什么是减压蒸馏？133

420什么是加压蒸馏？133

421精馏塔中的爆响是怎么回事？134

422什么是湿氮去磷法？134

423什么是吸附提纯法？134

424什么是络合物提纯法？135

425为什么不允许空气进入精馏塔？136

426什么是密闭蒸馏？什么是补充气体？136

427什么是二氯二氢硅？二氯二氢硅是怎样生产的？136

428什么是理论塔板？什么是塔的全流量？137

429什么是液泛现象？什么是液泛温度？137

430什么是间断精馏法？什么是连续精馏法？138

431精馏塔为什么要保温？140

432精馏塔上为什么要有放空管？为什么要有W形管？140

433精馏塔上的放空管怎样液封？加压精馏塔上的放空管怎样液封？140

434什么是乳化塔？142

435对多晶硅质量影响较大的污垢有哪些？多晶硅生产所要清洗的设备主要有哪些？142

436怎样清洗精馏塔？143

437精馏塔操作的关键参数有哪些？143

第5章多晶硅和单晶硅生产所用的其他原料

51什么是天然石英玻璃？什么是合成石英玻璃？144

52什么是石英坩埚？石英坩埚是干什么用的？145

53不透明石英坩埚的内外壁的结构是不同的吗？不透明石英坩埚为什么要涂钡？146

54什么是析晶？怎样来防止石英玻璃析晶呢？147

55什么是氩气？它在单晶硅生产中有什么用途？148

56氩气是怎样生产的？148

57什么是氧气？它有什么性质？148

58氧是怎么制造的？149

59什么是氢气？它有什么性质？149

510氢气有什么特性？150

511氢气有什么用途？151

512氢气是怎么制备的？151

513怎样从综合利用中寻找氢气资源？153

514什么是工业氢、超纯氢、高纯氢、纯氢？154

515各种行业对氢气有什么要求？154

516氯碱工业的副产品氢气能用来生产多晶硅吗？氯碱氢气怎样净化？155

517什么是氯气？氯气有什么特性？156

518氯气有什么用途？157

519氯气是怎么制备的？157

520什么是氯化氢？氯化氢有什么特性？158

521氯气与氢气之间有什么关系？158

522氯化氢有什么用途？159

523合成氯化氢时对原料氯和氢有什么要求？159

524对成品氯化氢的纯度有什么要求？159

525氯化氢是怎样制备的？159

526什么是氮气？氮气有什么特性？160

527氮气有什么用途？161

528氮气是怎么制备的？162

529水有什么特性？164

530水是怎么分类的？165

531纯水是怎么制备的？165

532什么是热载体？热载体都是用硅制成的吗？168

533制作硅芯的方法有哪几种？硅芯截面都是圆的吗？170

534什么是伏安特性？各种热载体的伏安特性有什么不同？170

第6章环保和节能

61什么是环保节能？多晶硅生产为何要环保节能呢？172

62三氯氢硅合成的尾气主要由什么组成？173

63还原炉的尾气主要由什么组成？174

64改良西门子法生产多晶硅为什么会有大量的四氯化硅排出？174

65改良西门子法生产多晶硅排出的四氯化硅怎么治理？175

66什么是白炭黑？什么是气相白炭黑？175

67为什么要用还原尾气来生产白炭黑？怎样生产气相白炭黑？175

68什么是氢回收？氢回收有哪几种？177

69淋洗塔排出的废水为什么要放石灰？177

610怎样用多晶硅生产中的尾气来生产盐酸？178

611还原炉为什么要用油冷却？178

612怎样用油为还原炉冷却？179

613怎样采用热油制冷？180

614可以采用蒸汽冷却还原炉吗？180

615可以采用氢气冷却还原炉吗？180

616精馏塔怎么节能？181

617增加还原炉的硅棒数可以节能吗？181

618多晶硅生产为什么要与石英玻璃联产？181

619为什么要用还原尾气来生产盐酸？182

620为什么要用还原尾气来生产有机硅？182

621为什么从还原炉排出的尾气首先要进入节能器？183

622为什么还原炉的尾气最终还需用淋洗法处理后才可排放？183

第7章多晶硅的物理生产法

71什么是多晶硅的物理生产法？物理生产法有哪些优缺点呢？184

72杂质在硅的熔体中有哪些效应？185

73什么是扩散系数？什么是蒸发常数？185

74什么是杂质的蒸发速率常数？185

75在硅的熔体中哪种元素最容易蒸发？186

76什么是平衡分凝系数？什么是有效分凝系数？186

77硅熔体的结晶速率对分凝的效果有什么影响？187

78什么是分凝提纯法？187

79多晶硅物理生产法的主要工艺是怎样的？187

710什么是定向凝固？188

711多晶硅的冶金法里有化学方法吗？188

712什么是多晶硅铸锭？189

713多晶硅铸锭与多晶硅物理生产法有什么不同？189

714多晶硅铸锭的工艺流程是怎样的？190

715多晶硅铸锭工艺有什么优缺点？190

第8章多晶硅和单晶硅生产所用的主要设备

81什么是单晶炉？192

82单晶炉体包括哪几个部分？193

83什么是区熔炉？194

84什么是硅芯炉？195

85什么是硅芯切割？195

86什么是多晶硅还原炉？195

87硅棒对数与节能有什么关系？196

8812对还原炉的结构是怎样的？197

89还原炉的电极是怎样绝缘密封的？198

810什么是薄壁壳体？薄壁壳体的厚度怎么求得？198

811多晶硅的生产设备对所用钢材有什么要求？201

812什么是不锈钢？不锈的原理是什么？202

813什么是304L不锈钢？什么是316L不锈钢？202

814什么是挥发器？203

815什么是节能器？204

816精馏塔有哪几种？205

817什么是溢流式筛板塔？什么是穿流式筛板塔？208

818为什么说塔柱和筛板是筛板塔的心脏？多晶硅生产对塔柱和筛板有什么要求？209

819什么样的塔釜好？210

820怎样确定塔釜的大小？211

821什么是塔头？213

822什么是吸收塔？215

823什么是解吸塔？216

824钼芯炉和硅芯炉的电器有什么不同？217

82512对棒还原炉的硅棒是怎样接线的？12对棒还原炉需要怎样的加热电器？220

826什么是并串联技术？220

827什么是直流控制？什么是单层控制？什么是叠层控制？ 222

第9章安全生产

91氢气有什么危险性？225

92氧气有什么危险性？226

93氯化氢有什么危险性？226

94氯气有什么危险性？227

95氩气、氮气有什么危险性？227

96四氯化硅有什么危险性？227

97三氯氢硅有什么危险性？228

98对厂房有什么要求？229

99对氢气管道有什么要求？230

910为什么氢气管路上要加阻火器？231

911为什么使用氢气的厂房不宜采用有井字梁的结构？231

912为什么使用氢气的厂房屋顶不宜采用机械排风？231

913对氧气管道有什么要求？231

914为什么氢气、氧气瓶绝对不能混用"para" label-module="para">

915什么是气体置换？233

916为什么氧气瓶在使用中要留有一定压力的余气"para" label-module="para">

917液氧储存有什么注意事项？234

918为什么氧气阀门不能碰到油污？234

919为什么氧气的管道和阀门多是铜或不锈钢的？234

920为什么三氯氢硅的储罐需要用水降温？234

921当出现四氯化硅或三氯氢硅泄漏时应该怎样处理？234

922为什么四氯化硅跑漏时要用氨水去处理？235

923为什么多晶硅生产厂房要上下都有通风口？235

924怎样来计算液体的泄漏速率？236

925怎样来计算气体的泄漏速率？236

926怎样来计算泄漏液体的蒸发量？237

927对四氯化硅和三氯氢硅的储运有什么规定？238

928对氢气、氧气储运有什么规定？239

929多晶硅生产中突然停电怎么办？239

930多晶硅生产中突然停水怎么办？240

931多晶硅生产中突然停气怎么办？240

932单晶硅生产中突然停电、停水怎么办？241

933出现四氯化硅或三氯氢硅烧伤事故应该怎么处理？241

934什么是压力容器？压力容器是怎样分类的？241

935压力容器使用有什么要求？242

936电气设备发生火灾应采取怎样的灭火措施？243

937什么是静电效应？244

938静电有哪些危害？怎样防止产生静电？245

939单晶炉、还原炉的外皮和管道为什么要接地？245

101为什么说硅的前途像东方的太阳？246

102现今的硅生产工艺还存在哪些不足？247

103多晶硅生产耗能为什么高？如何改进？248

104多晶硅生产对环境有什么影响？如何改进？250

105怎样才能降低单晶硅和多晶硅的生产成本？250

106怎样才能简化单晶硅和多晶硅的流程？251

107什么是直拉单晶炉连续加料法？252

108什么是带硅？253

109什么是厚度沉积率？怎样提高厚度沉积率？255

1010加大硅芯直径对产率有什么影响？258

1011加大硅棒的最终的直径对产率有什么影响？260

1012如何为串联的末端还原炉加压？261

1013如何通过改变发热体来加快多晶硅的生产速度？264

附录

附录1常用的物理量267

附录2单晶硅常用电阻率与掺杂浓度的关系表267

附录3氩气露点和所含水分对照表268

附录4单晶硅常用化学腐蚀剂268

附录5直拉单晶硅和区熔单晶硅允许偏差表268

附录6直拉单晶硅的电学性能参数269

附录7区熔单晶硅的电学性能参数269

附录8区熔高阻单晶硅的电学性能参数269

附录9几种多晶硅制造方法的总投资对比表270

附录10国内部分单位氢气管道流速270

附录11工业氢、超纯氢、高纯氢、纯氢的纯度标准表270

附录12各行业所需氢气主要技术参数270

附录13露点温度、水蒸气压力和水蒸气含量关系表271

附录14常用单位换算表273

参考文献 2100433B

ISBN：9787122132338

定价：58.00元

作者：刘寄声 编著

出版社：化学工业出版社

出版时间：2012年04月

版次：1-1

装帧：平

字数：496千字

开卷分类：工程技术

单晶硅片单晶硅和多晶硅的区别

单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,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，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。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、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。

高纯度硅在石英中提取，以单晶硅为例，提炼要经过以下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。

冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%，但半导体工业用硅还必须进行高度提纯(电子级多晶硅纯度要求11个9，太阳能电池级只要求6个9)。而在提纯过程中，有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业硅，以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料，以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。

得到高纯度的多晶硅后，还要在单晶炉中熔炼成单晶硅，以后切片后供集成电路制造等用。

单晶硅片单晶硅,多晶硅及非晶硅太阳能电池的区别

单晶硅太阳电池：

单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成P/FONT>N结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂复减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能电池板

。

多晶硅太阳电池：

单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一，加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。随着技术得提高，目前多晶硅的转换效率也可以达到14%左右

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非晶硅太阳电池：

非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。非晶硅太阳电池的结构有各种不同，其中有一种较好的结构叫PiN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

在猛烈阳光下，单晶体式太阳能电池板较非晶体式能够转化多一倍以上的太阳能为电能，但可惜单晶体式的价格比非晶体式的昂贵两三倍以上，而且在阴天的情况下非晶体式反而与晶体式能够收集到差不多一样多的太阳能。