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。
石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅,其化学反应SiO₂+C→Si+CO₂↑。
2、为了满足高纯度的需要,必须进一步提纯。
把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl₃)。
其化学反应Si+HCl→SiHCl₃+H₂↑,反应温度为300度,该反应是放热的。
同时形成气态混合物(Н₂,НСl,SiНСl₃,SiCl₄,Si)。
3、第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯,需要分解:过滤硅粉,冷凝SiНСl₃,SiCl₄,而气态Н₂,НСl返回到反应中或排放到大气中。
然后分解冷凝物SiНСl₃,SiCl₄,净化三氯氢硅(多级精馏)。
4、净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯的SiHCl3在H₂气氛中还原沉积而生成多晶硅。
其化学反应SiHCl₃+H₂→Si+HCl。
多晶硅的反应容器为密封的,用电加热硅池硅棒(直径5-10毫米,长度1.5-2米,数量80根),在1050-1100度在棒上生长多晶硅,直径可达到150-200毫米。
这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应,并生成多晶硅。
剩余部分同Н₂,НСl,SiНСl₃,SiCl₄从反应容器中分离。
这些混合物进行低温分离,或再利用,或返回到整个反应中。
气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的,从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。
用途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。
多晶硅是生产单晶硅的直接原料,是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。