多晶硅培训的讲义PPT资料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,制作：魏庄洪,联系电话：18611744096,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,多晶硅培训的讲义PPT资料课件,1,主要内容,什么是多晶硅,多晶硅用途,多晶硅的生产工艺,改良西门子法生产总体工艺,各工艺基本原理,STF耐磨阀应用优势,耐磨阀不经用的解决办法,耐磨阀的应用方案,主要内容什么是多晶硅,2,一,、,新能源简介,随着全球化石能源的短缺（煤炭、石油、天然气），以及世界各国对环境的日益关注，新能源已经成为了世界各国追求的目标。,目前的新能源主要包括：,水电,风电,核电,太阳能发电,生物质能发电,一、新能源简介随着全球化石能源的短缺（煤炭、石油、天然气），,3,太阳能利用简介,太阳能的利用包括：,光热，光电,光热主要是将太阳能以热的形式加以利用；太阳能热水器，蔬菜大棚等。,光电主要是将太阳能以电的形式加以利用；太阳能电站。,光电包括三种方式：,光-热-电：太阳能以热的形式被聚焦，加热水，形成蒸汽，蒸汽带动设备运转发电。,光-风-电：太阳能被聚集后，形成空气对流，产生流动空气，即，风；带动齿轮发电。,光伏发电：基于爱因斯坦的光电效应发电。,其中光伏发电是其中最清洁、最安全、最高效、最直接、最稳定、最具前景的太阳能发电方式。,太阳能利用简介太阳能的利用包括：,4,二、硅,硅是地壳中最丰富的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自然界中不存 在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。,单体硅包括两种形态：,晶体硅,非晶硅（无定形硅）,晶体硅通常呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四面体的顶点，并与另外四个硅原子以共价键紧密结合。这种结构可以延展得非常庞大，从而形成稳定的晶格结构。而非晶硅不具有这种延展的晶格结构。,宏观上讲，非晶硅一般是以粉末状存在；晶体硅多是以块状存在。,二、硅硅是地壳中最丰富的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但,5,硅的排列,硅的排列,6,晶体硅,晶态硅分为单晶硅和多晶硅。,单晶硅: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.,多晶硅：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不同的晶粒，则形成多晶硅。单晶硅和多晶硅都是单质硅的一种形态。,晶体硅晶态硅分为单晶硅和多晶硅。,7,三、多晶硅用途,用于光伏产业,将多晶硅直接铸锭，然后切成多晶硅片，再将多晶硅片抛光并进行电路腐蚀后组装，就成了太阳能电池；如果很多组太阳能电池按照一定顺序组装，就成了太阳能发电站。用于光伏产业的多晶硅一般要求硅的纯度达到小数点后6个9以上，也叫光伏级多晶硅。,用于电子产业，,将多晶硅通过直拉或区熔等方法做成单晶硅，再将单晶硅切片抛光、电路腐蚀，就成了电脑、手机、蓝牙等设备的芯片。用于电子级的多晶硅一般要求硅的纯度达到小数点后边8个9以上。,三、多晶硅用途用于光伏产业,8,多晶硅成品,多晶硅成品,9,多晶硅太阳能应用,多晶硅太阳能应用,10,多晶硅航空航天应用,多晶硅航空航天应用,11,单晶硅电子应用,单晶硅电子应用,12,四、多晶硅的历史,多晶硅出现的时间比较早，但是直到在六十年代开始较大规模的生产，这个时候的技术主要是应用第一代的多晶硅技术，理论来自美国，工业化源自德国，德国最著名的瓦克公司就是在五十年代末六十年代初完成其最初的工业化生产。中国多晶硅工业起步于20世纪50年代，60年代中期实现了产业化，到70年代，生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后，消耗大，成本高等原因，绝大部分企业亏损而相继停产或转产,最有名的是峨嵋半导体厂（739）和洛阳单晶硅有限公司（740）.,多晶硅的技术经历了三代，目前应用较先进的就是第三代的改良西门子法生产工艺，主要是通过热氢化将得到的四氯化硅加氢制备成三氯氢硅，继续参与到系统中，形成闭环循环；这是目前世界上最先进、最成熟、最稳定的工艺。,四、多晶硅的历史多晶硅出现的时间比较早，但是直到在六十年代开,13,五,、,多晶硅生产工艺,西门子改良法,原理就是在1100左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统西门子工艺的基础上，同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶硅。,西门子改良法生产设备,氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置，还原尾气干法回收装置；其他包括分析、检测仪器，控制仪表，热能转换站，压缩空气站，循环水站，变配电站，净化厂房等。,五、多晶硅生产工艺西门子改良法,14,五,、,多晶硅生产工艺,西门子改良法生产工艺,（1）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+CSi+CO2,(硅石+碳硅+二氧化碳）,（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+HClSiHCl3+H2,（硅+氯化氢三氯氢硅+氢气）,反应温度为300度，该反应是放热的。同时形成气态混合物(2氢气,HCl氯化氢,SiHCl3三氯氢硅,SiCl4四氯化硅,Si硅)。,五、多晶硅生产工艺西门子改良法生产工艺,15,五,、,多晶硅生产工艺,（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SiHCl3三氯氢硅,SiCl4四氯化硅，而气态2氢气,HCl氯化氢返回到反应器中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3三氯氢硅,SiCl4四氯化硅，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SiHCl3三氯氢硅在H2氢气气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应SiHCl3+H2 Si+HCl（,三氯氢硅+氢气硅+氯化氢,）。,五、多晶硅生产工艺（3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一,16,五,、,多晶硅生产工艺,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2,l,Si13,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。,五、多晶硅生产工艺多晶硅的反应容器为密封的，用电加热硅池硅棒,17,五,、,多晶硅生产工艺,在西门子改良法生产工艺中，一些关键技术我国还没有掌握，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。,改良西门子法相对于传统西门子法的优点主要在于：,1）节能：,由于改良西门子法采用多对棒、大直径还原炉，可有效降低还原炉消耗的电能；,2）降低物耗：改良西门子法对还原尾气进行了有效的回收。,所谓还原尾气：是指从还原炉中排放出来的，经反应后的混合气体。,改良西门子法将尾气中的各种组分全部进行回收利用，这样就可以大大低降低原料的消耗。,五、多晶硅生产工艺在西门子改良法生产工艺中，一些关键技术我国,18,五,、,多晶硅生产工艺,3）减少污染：由于改良西门子法是一个闭路循环系统，多晶硅生产中的各种物,料得到充分的利用，排出的废料极少，相对传统西门子法而言，污染得到了,控制，保护了环境。,改良西门子法属于欧美淘汰的旧技术，相对国外最先进的硅烷法成本较高，而且能耗高，污染重。是国内多晶硅企业一般采用的方法。一般3到5年之内会淘汰。,五、多晶硅生产工艺3）减少污染：由于改良西门子法是一个闭,19,五,、,多晶硅生产工艺,硅烷法,硅烷是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。但美国Asimi公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。,流化床法,以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内高温高压下生成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行,五、多晶硅生产工艺硅烷法硅烷是以四氯化硅氢化法、硅合金分解,20,多晶硅生产工艺,连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。因为在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，生产效率高，电耗低与成本低，适用于大规模生产太阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差，危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。,冶金法,选择纯度较好的工业硅进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。,多晶硅生产工艺连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。因为在流化,21,多晶硅生产工艺,粒状多晶硅生产方法,将反应器中的石墨管的温度升高到1500，流体三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁1500高温处反应生成液体状硅，然后滴入底部，温度回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。,不管何种工艺特点，都有高温，磨损度高，腐蚀性强的特点。,多晶硅生产工艺参数,介质：硅粉、氮气、氢气、氯化物(如氯化氢等),温度：65590 C,压力：0.5 0.8 M Pa,多晶硅生产工艺粒状多晶硅生产方法,22,、,六、主工艺描述,在多晶硅的生产过程中，主要的原料是工业硅、液氯、氢气。多晶硅的生产主要是通过将氢气和氯气反应生成氯化氢，氯化氢再与硅粉发生流化反应制备三氯氢硅，通过精馏工序将三氯氢硅提纯后，进入到还原炉中与氢气发生氢还原反应，得到的主要副产物四氯化硅经过精馏后，进入到热氢化炉中反应生成三氯氢硅，继续进入还原工序，实现循环闭环使用。多晶硅的生产过程主要包括如下几个工序,：,(1)氯化氢合成工序,(2)三氯氢硅合成工序,(3)合成气干法分离工序,(4)氯硅烷分离提纯工序,(5)三氯氢硅氢还原工序,(6)还原尾气干法分离工序,(7)四氯化硅氢化工序,(8)氢化气干法分离工序,(9)氯硅烷贮存工序,(10)硅芯制备工序,(11)产品整理工序,(12)废气和残液处理工序,(13)工艺废料处理工序,、六、主工艺描述 在多晶硅的生产过程中，主要的原料是工业,23,主工艺流程简图,主工艺流程简图,24,1、氯化氢合成工序,氯化氢合成工序中，主要是原料氢气和氯气的化合反应：,H2+Cl2=2HCl,参加反应的Cl2为气态，而初始的原料为液氯，因此，在氯化氢的合成工序之前要首先进行液氯的气化，液氯气化为一吸热的物理相变过程，通过汽化器外的热循环水提供热量。,氢气大部分来源于系统内部的循环；补充氢气来源于氯碱工序、公用工程的水解制氢工序。,该反应的温度为450-500,压力0.5-0.6MPa,反应中氢气：氯气=1.1（摩尔比）,氯化氢合成是合成工序的一部分，目前我公司采用的是加压合成，不同于烧碱工业上的常压合成，共有三套系统。,1、氯化氢合成工序氯化氢合成工序中，主要是原料氢气和氯气的化,25,2、三氯氢硅合成,三氯氢硅合成反应发生在三氯氢硅合成炉中,是通过控制一定的温度压力（300，0.3-0.5Mpa）实现硅粉与氯化氢的化合反应，硅粉即为工业级原料硅粉，氯化氢部分来自于合成工序中的氯化氢，部分来自于循环氯化氢。三氯氢硅合成炉存在着主反应：,Si+3HCl=SiHCl3+H2,副反应：,Si+4HC