第2章 多晶半导体的制备

硅是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在地壳中是第二丰富的元素，构成地壳总质量的25.7%，占地壳的四分之一，仅次于第一位的氧（49.4%）。

2.1 工业硅的生产

2.1.1 硅的简介

1.物理性质

硅包括晶态和无定形两种同素异形体，晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色。晶体硅根据晶面取向不同又分为单晶硅和多晶硅，它们都具有金刚石晶格，硬而有金属光泽，有半导体性质。晶体硅的密度为2.32～2.34克/立方厘米，熔点为1410℃，沸点为2355℃。

单晶硅和多晶硅的主要区别是：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。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，也是太阳能电池片以及光伏发电的基础材料。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。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅。单晶硅是现代电子制造过程中不可缺少的基本材料。

2.多晶硅按纯度分类

多晶硅按纯度分类可以分为冶金级多晶硅（工业硅）、太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。

（1）冶金级多晶硅（MG）。是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含硅为90%～95%，有的可高达99.8%。

（2）太阳能级多晶硅（SG）：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，一般认为含硅在99.99%～99.9999%（4～6个9）之间。

（3）电子级多晶硅（EG）：一般要求含硅在99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。

2.1.2 工业硅的制备

1.工业硅的生产原理

工业硅的生产是在电弧炉中，利用含量较高的石英砂与焦炭或木炭在1820～1900℃的条件下发生反应生成硅，其反应式为：

SiO2 + C→Si + CO

工业硅杂质含量高，纯度一般为90%～95%，其中杂质铁和铝较多，这种硅可作为冶炼铁、铝等金属的添加剂，因此通常称为冶金多晶级硅或硅铁。只有极少数的高纯度的工业硅（纯度在98%以上）才能用于进一步提纯成太阳能级多晶硅或电子级多晶硅，它占工业硅的1%。

2.工业硅的生产设备

工业硅的生产主要采用电弧炉，电弧炉又称矿热炉，是一种陆续加料、连续作业的工业电炉。它主要用于还原冶炼矿石、碳质还原剂及溶剂等原料，主要生产铁硅系合金。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料做炉衬，使用自培电极，电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料时因炉料电阻而产生的能量来熔炼金属。

电弧炉由炉体、电源、控制设备及冷却系统、电极升降系统、液压系统、上下料系统、把持器等附属设备所组成。炉体包括炉壳、炉盖、炉衬、电极、电极升降机构等。炉衬按其部位（如炉盖、炉墙、炉底和出料槽）和其工作条件的不同，选用不同的耐火材料。常用的耐火材料有硅砖、镁砖、白云石、高铝砖及耐火混凝土等，隔热材料主要采用石棉板，电极使用电热元件。