第五章 三氯氢硅氢气还原.doc

第五章 三氯氢硅的氢气还原 - 2 - 第一节、三氯氢硅氢气还原的反应原理 - 2 - 一、工艺原理 - 2 - 第二节、SiHCl3氢还原反应的影响因素 - 2 - 第三节、工艺流程图及设备 - 7 - 一、三氯氢硅氢还原工艺流程简图 - 7 - 二、主体设备 - 8 - 第四节、三氯氢硅氢气还原对产品及外部条件的要求 - 9 - 一、对多晶硅产品的要求： - 9 - 二、对外部条件的要求： - 10 - 第五节、三氯氢硅氢气还原的操作条件 - 11 - 第六节、工艺控制要点 - 11 - 一、牢固的高纯卫生意识 - 11 - 二、严格操作规程 - 11 - 三、均衡生产意识 - 11 - 四、自动控制的巡查 - 11 - 第七节、还原的工艺操作 - 11 - 一、新还原炉的清洗与安装 - 11 - 二、装炉操作 - 12 - 三、开炉前的准备 - 12 - 四、还原的启动和运行 - 12 - 五、正常停炉及出炉 - 13 - 第八节、紧急预案 - 13 - 一、突然停水 - 13 - 二、突然停电 - 13 - 三、突然断氢怎么办? - 14 - 四、倒棒 - 14 - 第九节、工艺过程的基础计算 - 14 - 一、基本物料的性能参数计算 - 14 - 二、基本计算 - 15 - 第十节、安全生产 - 16 - 一、物料的有关性质 - 16 - 二、安全规程 - 17 - 第五章 三氯氢硅的氢气还原 第一节、三氯氢硅氢气还原的反应原理 一、工艺原理 经提纯和净化的SiHCl3和H2进入蒸发器中，在20℃、0.2MPa的压力下，H2/SiHCl3 按（摩尔比）＝3.5～4：12+H2＝Si+2HCl 1-6 以及杂质的还原反应： 1-7 1-8 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。 第二节、SiHCl3氢还原反应的影响因素 1.反应温度 根据化学反应速度和化学平衡原理分析，三氯氢硅和四氯化硅的氢还原过程都是吸热反应，因此，升高温度使平衡向吸热一方移动，即有利于硅的沉积。按照理论分析，温度愈高，沉积速度愈快。但实际生产中，反应生成硅自气相向固态载体上沉积时有一个最高温度Tmax，当反应温度超过这个温度，随着温度升高沉积速率反而下降;还有一个最低沉积温度T0，高于该温度才开始反应析出硅。一般在最低沉积温度和最高沉积温度之间，沉积速率随反应温度增高而增大。 图5-1 联桥腐蚀凹角 A、温度过高，会有联桥腐蚀凹角， 所谓的“联桥腐蚀凹角“如图5-1所示，还原生成的氯化氢气体和四氯化硅均可使硅在高温下产生逆腐蚀： 1-9 1-10 在联桥90°角处是热焦点，又称为热角，此处温度很高，当超过1200℃时则产生硅腐蚀而形成凹角。因此，严格控制硅棒表面温度低于Tmax，而又要接近Tmax某一合适温度就能消除表面凸凹现象。实验测定，对于三氯氢硅氢还原这个适宜温度为1150℃。 B、温度过高，沉积硅本身的化学活性增强，硅棒受到设备材质沾污的可能性增加，所以其表面温度不能过高。 三氯氢硅在900～1000℃范围内，热分解反应占优势；在1100～1200℃之间氢还原反应占优势。三氯氢硅氢还原反应温度与硅实收率的关系见图5-2。需要注意的是硅的熔点为1410℃，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5-2 温度对还原反应的影响 C、一般说来，当温度低于适宜温度时，随温度升高使硅的结晶变得粗大、光亮；在低于适宜温度时，温度愈低，结晶变得更细小，表面呈暗灰色，无金属光泽。如低于1000℃时，则会生成疏松的暗褐色无定形硅（即温度夹层），造成多晶硅的质量下降。温度高于适宜温度时，随温度升高硅棒表面愈加粗糙，类似于爆米花状；在适宜温度下，硅棒晶粒细小致密，表面平整有金属光泽； 2.反应配比 还原反应时，H2与SiHCl3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，才能使反应比较充分地进行，获得较高的SiHCl3转化率。如果按化学当量计算，配比所需氢气量来还原SiHCl3，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，而且硅收率极低。这是由于Ｈ2不足发生副反应的结果。增加氢气的配比，可以显著提高SiHCl3的转化率。 图5-3 SiHCl3在不同氢气配比情况下的理论平衡转化率 通常，