定氮仪生下列反应
原料，在高温电炉中炼制而成。该过程的本质是以碳做还原剂，将二氧化硅还原为单质硅。由于ＳｉＯ相当稳定，因而还原反应必须在高温下才能进行。冶炼用２的电炉是由耐火材料砌成圆形炉膛，外面围上钢板，炉壁上有出料口和出渣口。把石英砂和优质木炭（亦可掺入部分焦炭）按比例逐层填加在炉膛中，用柱状石墨电极接通电流产生电弧，加热原料，使其在高温下发定氮仪生下列反应：ＳｉＯ２＋２Ｃ１６００～１８００℃Ｓｉ＋２ＣＯ 反应得到的硅在电炉中熔为液体，到一定时候可从炉底出料口引出，浇铸成锭，就像高炉出铁一样。得到的硅为银灰色固体，含硅９７％～９８％，称为“结晶硅”。 ２．多晶硅的生产 （１）三氯氢硅（ＳｉＨＣｌ）的制取 由炼硅电炉中得到的结晶硅，还必须经过３进一步的精制，除去其中的杂质，才能得到高纯硅。从结晶硅制取高纯硅，可以ＳｉＣｌ、ＳｉＩ、ＳｉＨ（硅烷）或ＳｉＨＣｌ作为中间体，经过纯化后，再用高纯氢气还原，４４４３制得高纯硅。当今生产实际中广泛选用ＳｉＨＣｌ作为进一步纯化的中间体。３ 用干燥的ＨＣｌ气体作用于结晶硅粉，可制得ＳｉＨＣｌ：３Ｓｉ（ｓ）＋３ＨＣｌ（
ｇ）催化剂ＳｉＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ（ｇ）２２０℃３２ 第一讲 重要的微电子材料———高纯硅３８７原料ＨＣｌ气体是由纯的Ｈ和Ｃｌ在合成炉中化合，经冷凝干燥后得到的。ＨＣｌ２２与Ｓｉ的反应在称为沸腾炉的反应器中进行。反应温度对产物的组成有决定性的影响，若不用催化剂，最佳反应温度为２８０～３３０℃，当温度高于４５０℃时大量生成ＳｉＣｌ、ＳｉＨＣｌ等副产品，而ＳｉＨＣｌ含量很低。若用含５％Ｃｕ的硅合金做催４２２３化剂，则反应温度必须控制在２５０℃以下。由于反应是放热的，所以反应过程中要用水冷却，或者用不参与反应的Ｎ或Ａｒ稀释ＨＣｌ并将多余的热量带走。２ 反应得到的ＳｉＨＣｌ在反应温度下是气体。与生成的Ｈ和未作用完的ＨＣｌ３２气一起从反应器中导出，通过旋风分离器与未作用的硅粉分开。然后冷却至室温或零度左右，ＳｉＨＣｌ即冷凝为液体，可与Ｈ、ＨＣｌ分开，即得到粗产品。３２ 整个反应过程中应特别注意反应体系要严格控制无水、无氧。因为ＳｉＨＣｌ３遇水会剧烈水解，放热。试验表明当反应混合物中水的质量分数为０．０５％时，产物ＳｉＨＣｌ的量明显降低。而ＳｉＨＣｌ水解的产物ＳｉＯ微粒会把管道和沸腾炉３３２中筛板的孔眼堵塞，使反应器或管道内的压力升高，甚至引起爆炸。水解的另一产物盐酸则对容器和管道产生强烈的腐蚀作用，降低生产设备的强度和寿命。若反应系统中混有空气或氧气，则不仅会与ＳｉＨＣｌ或Ｈ发生反应，且会引起燃３２烧和爆炸。所以反应对无水、无氧的要求非常严格，对设备的密封性、耐压性的要求也很高，否则会产生危险。 （２）三氯氢硅的精馏 纯ＳｉＨＣｌ在室温下应为无色透明的液体。通常由３于含少量ＨＣｌ而略带淡黄色。沸点为３１．５℃。有刺激性气味
，易氧化，易燃，易爆。遇水或空气中的水汽则猛烈水解而燃烧或爆炸。 由ＨＣｌ与硅粉作用制得的ＳｉＨＣｌ是粗品，其中含有不少杂质（主要是由硅３粉中带来的），ｉ４，还带有一定量的副产物ＳＣｌ因而需进一步提纯。提纯的主要手段是精馏。ＳｉＣｌ的沸点是５７℃，利用ＳｉＨＣｌ和ＳｉＣｌ沸点的不同，可通过精馏４３４将它们分开。精馏过程是一种多次连续分馏过程。在几十米高的精馏塔中，被蒸上来的蒸汽与冷凝下来的液滴不断进行气液交换，结果只有最易挥发的组分才能达到塔顶，最难挥发的组分留在塔底蒸馏釜中。ＳｉＨＣｌ的精馏提纯一般分３两次进行，习惯上叫前一次为粗馏，后一次为精馏。从合成炉中得到的ＳｉＨＣｌ３中常含有硼、磷、砷、铝等杂质。通常金属或非金属杂质的氯化物与ＳｉＨＣｌ的沸点相差较大，可在精馏过程中将这类杂质分去。惟有ＢＣｌ和ＰＣｌ与ＳｉＨＣｌ沸３３３３点相近，较难分去，而这两种杂质对单晶硅的质量影响较大，必须设法除去。为除去这两种杂质，要求在高效精馏塔中操作，并在精馏前向蒸馏液中加入乙腈、三苯一氯甲烷等配位剂，使与ＢＣｌ生成配合物，其沸点与ＳｉＨＣｌ沸点差距大，３３便于通过精馏而将其除去。这样通过精馏提纯后的ＳｉＨＣｌ的纯度很高，可达到３生产高纯硅的要求。 （３）三氯氢硅的还原和多晶硅的制备 用高纯氢气在１００００℃左右的温度 ３８８第十一章 现代化学应用讲座 下还原精馏的ＳｉＨＣｌ，即可得到高纯的晶体硅。这种高纯硅的晶体纯度很高，已３符合生产微电子
元器件对纯度的要求，但是从晶体的内部结构看，这种硅晶体还不是一个完整的单晶体，而是许许多多小的单晶块结合而成的多晶体，因而称为多晶硅。还原反应的反应式表示如下：ＳｉＨＣｌ（）＋Ｈ２（ｇ１０００℃Ｓｉ（）＋３（）３ｇ）ｓＨＣｌｇ 还原过程是在如图１１１２所示的还原炉中进行的。还原炉是一种不锈钢的筒状容器，外壁做成夹套，用水冷却。炉门及进料口等用硅橡胶密封垫圈密封。炉门上开有两个石英观察窗孔。炉底部有一进料口，与ＳｉＨＣｌ储瓶相通。炉顶３有一出气口，将尾气导至淋洗吸收塔。每次开炉前，先在炉膛内装上一根弯成Ｕ形的钼丝或硅芯，与钼丝或硅芯相连的电极接头与外电源相联。然后通干燥纯净的氮气或氢气吹淋炉膛和管道，确保其中没有空气和水汽。再以高纯Ｈ气２带入一定比例的高纯ＳｉＨＣｌ气体，由进料口导入炉内。同时接通电源加热钼丝３或硅芯。当钼丝被加热到红热，其表面达到近千摄氏度高温时，ＳｉＨＣｌ在其表面３被Ｈ还原，生成的硅即在钼丝上沉积出来。析出的硅在这样高温下也能导电，２亦可起到电热丝的作用。这层硅的表面也可达近千摄氏度高温，新的ＳｉＨＣｌ又
