三氯氢硅还原法

三氯氢硅还原法最早由西门子公司研究成功，因此又称为西门子法。一般作为多晶硅生产的原始材料是冶金级硅。冶金级硅是由石英石（SiO2）加焦炭在高温下还原制成。三氯氢硅还原法以冶金级硅和氯化氢（HCl）为起点，将硅粉和氯化氢（HCl）在300℃和0．45MPa经催化合成反应后生成三氯氢硅还原法的中间原料——三氯氢硅，这个过程称为氯化粗硅。三氯氢硅又称为三氯硅烷或硅氯仿。在化工工业上，它是制取一系列有机硅材料的中间体；在半导体工业上，它是生产多晶硅最重要的原材料之一。闭环生产的晶硅流程如图4－3所示。

图4－3　闭环生产多晶硅流程

三氯氢硅是无色透明、在空气中强烈发烟的液体，极易挥发和水解，易溶于有机溶剂，易燃易炸，有刺激性臭味，对人体有毒害。它的一些物理化学性质如表4－1所示。

表4－1　三氯氢硅的一些化学物理性质

为了保证三氯氢硅氢的纯度，需要控制原始材料粗硅的杂质浓度，尤其是硼的含量。

本生产方法可以分为3个重要的过程：一是中间化合物三氯氢硅的合成，二是三氯氢硅的提纯，三是用氢还原三氯氢硅获得高纯多晶硅。

1）三氯氢硅的合成

三氯氢硅（SiHCl3）由硅粉与氯化氢（HCl）合成而得，其化学反应为

上述反应要加热到所需温度才能进行。又因为是放热反应，反应开始后能自动持续进行。但能量如不能及时导出，温度升高后反而将影响产品收率。影响产品收率的重要因素是反应温度与氯化氢的含水量。此外，硅粉粗细对反应也有影响。

2）三氯氢硅的提纯

三氯氢硅的提纯是硅提纯技术的重要环节。在精馏技术成功地应用于三氯氢硅的提纯后，化学提纯所获得的高纯硅已经可以免除物理提纯（区域提纯）的步骤直接用于拉制硅单晶，符合器件制造的要求。目前工业上都是采用精馏技术提纯三氯氢硅。为达到不同纯度要求，一般使用5～9塔连续精馏。完善的精馏技术可将杂质总量降低到10－10～10－7量级。

3）氢还原三氯氢硅

用氢作为还原剂还原已被提纯到高纯度的三氯氢硅，使高纯硅淀积在1 100～1 200℃的热载体上。载体常用细的高纯硅棒（直径5～10mm，长度1．5～2m），通以大电流使其达到所需温度。生长的多晶硅棒，直径可达到150～200mm。其化学反应式为

用于还原的氢必须提纯较高纯度以免污染产品。如氢与三氯氢硅的摩尔比值按理论配比则反应速度慢，硅的收率太低。氢与三氯氢硅的配比在生产上通常选在20～30之间。还原时氢通入SiHCl3液体中鼓泡，使其挥发并作为SiHCl3的携带气体。还原时SiHCl3反应仍不完全，因此必须回收尾气中的氢气以减少损失。

经过几十年的应用和发展，西门子法不断完善，先后出现了第一代、第二代和第三代，第三代多晶硅生产工艺即改良西门子法，它在第二代的基础上增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4回收氢化工艺，实现了完全闭环生产，是西门子法生产高纯多晶硅技术的最新技术，其具体工艺流程如图4－4所示。

图4－4　改良西门子法工艺流程

改良西门子法包括5个主要环节：即SiHC13合成、SiHCl3精馏提纯、SiHC13的氢还原、尾气的回收和SiC14的氢化分离。该方法的显著特点是能耗低、成本低、产量高、质量稳定，采用综合利用技术，对环境不产生污染，具有明显的竞争优势。全世界生产多晶硅的工厂共有10家，使用西门子技术的有7家，西门子法硅产量占生产总量的76．7%。目前德、美、日等国都在研究及开发该技术。改良西门子法主要的生产工序有：

1．氢气制备与净化工序

在电解槽内经电解脱盐水制得氢气。电解制得的氢气经过冷却、分离液体后，进入除氧器，在催化剂的作用下，氢气中的微量氧气与氢气反应生成水而被除去。除氧后的氢气通过一组吸附干燥器而被干燥。净化干燥后的氢气送入氢气储罐，然后送往氯化氢合成、三氯氢硅氢还原、四氯化硅氢化工序。

电解制得的氧气经冷却、分离液体后，送入氧气储罐。出氧气储罐的氧气送去装瓶。气液分离器排放废吸附剂，氢气脱氧器有废脱氧催化剂排放，干燥器有废吸附剂排放，均由供货商回收再利用。

2．氯化氢合成工序

从氢气制备与净化工序来的氢气和从合成气干法分离工序返回的循环氢气分别进入本工序氢气缓冲罐并在罐内混合。出氢气缓冲罐的氢气引入氯化氢合成炉底部的燃烧枪。从液氯汽化工序来的氯气经氯气缓冲罐，也引入氯化氢合成炉底部的燃烧枪。氢气与氯气的混合气体在燃烧枪出口被点燃，经燃烧反应生成氯化氢气体。出合成炉的氯化氢气体流经空气冷却器、水冷却器、深冷却器、雾沫分离器后，被送往三氯氢硅合成工序。

为保证安全，本工序设置一套主要由废气处理塔、碱液循环槽、碱液循环泵和碱液循环冷却器组成的含氯废气处理系统。必要时，氯气缓冲罐及管道内的氯气可以送入废气处理塔内，用氢氧化钠水溶液洗涤除去。该废气处理系统保持连续运转，以保证可以随时接收并处理含氯气体。

3．三氯氢硅合成工序

原料硅粉经吊运，通过硅粉下料斗而被卸入硅粉接收料斗。硅粉从接收料斗放入下方的中间料斗，经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后，硅粉被放入下方的硅粉供应料斗内。供应料斗内的硅粉用安装于料斗底部的星形供料机送入三氯氢硅合成炉进料管。

从氯化氢合成工序来的氯化氢气，与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气混合后，引入三氯氢硅合成炉进料管，将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送，从底部进入三氯氢硅合成炉。

在三氯氢硅合成炉内，硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应，生成三氯氢硅，同时生成四氯化硅、二氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气等产物，此混合气体被称作三氯氢硅合成气。反应大量放热，合成炉外壁设置有水夹套，通过夹套内水带走热量维持炉壁的温度。

出合成炉顶部挟带有硅粉的合成气，经三级旋风除尘器组成的干法除尘系统除去部分硅粉后，送入湿法除尘系统，被四氯化硅液体洗涤，气体中的部分细小硅尘被洗下；洗涤的同时，通入湿氢气与气体接触，气体所含部分金属氧化物发生水解而被除去。除去了硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离工序。

4．合成气干法分离工序

从三氯氢硅氢合成工序来的合成气在此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体，分别循环回装置使用。

三氯氢硅合成气流经混合气缓冲罐，然后进入喷淋洗涤塔，被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤。气体中的大部分氯硅烷被冷凝并混入洗涤液中。出塔底的氯硅烷用泵增压，大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤，多余部分的氯硅烷送入氯化氢解析塔。

出喷淋洗涤塔塔顶除去了大部分氯硅烷的气体，用混合气压缩机压缩并经冷冻降温后，送入氯化氢吸收塔，被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤，气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收，气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来。出塔顶的气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气，经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后，得到高纯度的氢气。氢气流经氢气缓冲罐，然后返回氯化氢合成工序参与合成氯化氢的反应。吸附器再生废气含有氢气、氯化氢和氯硅烷，送往废气处理工序进行处理。

出氯化氢吸收塔底溶解有氯化氢气体的氯硅烷经加热后，与从喷淋洗涤塔底来的多余的氯硅烷汇合，然后送入氯化氢解析塔中部，通过减压蒸馏操作，在塔顶得到提纯的氯化氢气体。出塔氯化氢气体流经氯化氢缓冲罐，然后送至设置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐；塔底除去了氯化氢而得到再生的氯硅烷液体，大部分经冷却、冷冻降温后，送回氯化氢吸收塔用作吸收剂，多余的氯硅烷液体（即从三氯氢硅合成气中分离出的氯硅烷）经冷却后送往氯硅烷储存工序的原料氯硅烷储槽。

5．氯硅烷分离提纯工序

在三氯氢硅合成工序生成，经合成气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷储存工序的原料氯硅烷储槽；在三氯氢硅还原工序生成，经还原尾气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷储存工序的还原氯硅烷储槽；在四氯化硅氢化工序生成，经氢化气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷储存工序的氢化氯硅烷储槽。原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出，送入氯硅烷分离提纯工序的不同精馏塔中。

6．三氯氢硅氢还原工序

经氯硅烷分离提纯工序精制的三氯氢硅，送入本工序的三氯氢硅汽化器，被热水加热汽化；从还原尾气干法分离工序返回的循环氢气流经氢气缓冲罐后，也通入汽化器内，与三氯氢硅蒸气形成一定比例的混合气体。

从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅与氢气的混合气体送入还原炉内。在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面，三氯氢硅发生氢还原反应，生成硅沉积下来，使硅芯/硅棒的直径逐渐变大，直至达到规定的尺寸。氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气，与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉，经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后，直接送往还原尾气干法分离工序。还原炉炉筒夹套通入热水，以移除炉内炽热硅芯向炉筒内壁辐射的热量，维持炉筒内壁的温度。出炉筒夹套的高温热水送往热能回收工序，经废热锅炉生产水蒸气而降温后，循环回本工序各还原炉夹套使用。

还原炉在装好硅芯后，开车前先用水力射流式真空泵抽真空，再用氮气置换炉内空气，再用氢气置换炉内氮气（氮气排空），然后加热运行，因此开车阶段要向环境空气中排放氮气和少量的真空泵用水（可作为清洁下水排放）；在停炉开炉阶段（5～7天1次），先用氢气将还原炉内含有氯硅烷、氯化氢、氢气的混合气体压入还原尾气干法回收系统进行回收，然后用氮气置换后排空，取出多晶硅产品，移出废石墨电极，视情况进行炉内超纯水洗涤，因此停炉阶段将产生氮气、废石墨和清洗废水。氮气是无害气体，因此正常情况下还原炉开、停车阶段无有害气体排放。废石墨由原生产厂回收，清洗废水送项目含氯化物酸碱废水处理系统处理。

7．还原尾气干法分离工序

从三氯氢硅氢还原工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体，分别循环回装置使用。

还原尾气干法分离的原理和流程与三氯氢硅合成气干法分离工序十分类似。从变温变压吸附器出口得到的高纯度的氢气，流经氢气缓冲罐后，大部分返回三氯氢硅氢还原工序参与制取多晶硅的反应，多余的氢气送往四氯化硅氢化工序参与四氯化硅的氢化反应；吸附器再生废气送往废气处理工序进行处理；从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体，送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐；从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体（即从三氯氢硅氢还原尾气中分离出的氯硅烷），送入氯硅烷储存工序的还原氯硅烷储槽。

8．四氯化硅氢化工序

经氯硅烷分离提纯工序精制的四氯化硅，送入本工序的四氯化硅汽化器，被热水加热汽化。从氢气制备与净化工序送来的氢气和从还原尾气干法分离工序来的多余氢气在氢气缓冲罐混合后，也通入汽化器内，与四氯化硅蒸气形成一定比例的混合气体。

从四氯化硅汽化器来的四氯化硅与氢气的混合气体，送入氢化炉内。在氢化炉内通电的炽热电极表面附近，发生四氯化硅的氢化反应，生成三氯氢硅，同时生成氯化氢。出氢化炉的含有三氯氢硅、氯化氢和未反应的四氯化硅、氢气的混合气体，送往氢化气干法分离工序。

氢化炉的炉筒夹套通入热水，以移除炉内炽热电极向炉筒内壁辐射的热量，维持炉筒内壁的温度。出炉筒夹套的高温热水送往热能回收工序，经废热锅炉生产水蒸气而降温后，循环回本工序各氢化炉夹套使用。

9．氢化气干法分离工序

从四氯化硅氢化工序来的氢化气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体，分别循环回装置使用。氢化气干法分离的原理和流程与三氯氢硅合成气干法分离工序十分类似。从变温变压吸附器出口得到的高纯度氢气，流经氢气缓冲罐后，返回四氯化硅氢化工序参与四氯化硅的氢化反应；吸附再生的废气送往废气处理工序进行处理；从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体，送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐；从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体（即从氢化气中分离出的氯硅烷），送入氯硅烷储存工序的氢化氯硅烷储槽。

10．氯硅烷储存工序

本工序设置以下储槽：100m3氯硅烷储槽、100m3工业级三氯氢硅储槽、100m3工业级四氯化硅储槽、100m3氯硅烷紧急排放槽等。

从合成气干法分离工序、还原尾气干法分离工序、氢化气干法分离工序分离得到的氯硅烷液体，分别送入原料、还原、氢化氯硅烷储槽，然后氯硅烷液体分别作为原料送至氯硅烷分离提纯工序的不同精馏塔。

在氯硅烷分离提纯工序3级精馏塔顶部得到的三氯氢硅、二氯二氢硅的混合液体，在4、5级精馏塔底得到的三氯氢硅液体，以及在6、8、10级精馏塔底得到的三氯氢硅液体，送至工业级三氯氢硅储槽，液体在槽内混合后作为工业级三氯氢硅产品外售。

11．硅芯制备工序

采用区熔炉拉制与切割并用的技术，加工制备还原炉初始生产时需安装于炉内的导电硅芯。硅芯制备过程中，需要用氢氟酸和硝酸对硅芯进行腐蚀处理，再用超纯水洗净硅芯，然后对硅芯进行干燥。酸腐蚀处理过程中会有氟化氢和氮氧化物气体逸出至空气中，故用风机通过罩于酸腐蚀处理槽上方的风罩抽吸含氟化氢和氮氧化物的空气，然后将该气体送往废气处理装置进行处理，达标排放。

12．产品整理工序

在还原炉内制得的多晶硅棒被从炉内取下，切断、破碎成块状的多晶硅。用氢氟酸和硝酸对块状多晶硅进行腐蚀处理，再用超纯水洗净多晶硅块，然后对多晶硅块进行干燥。酸腐蚀处理过程中会有氟化氢和氮氧化物气体逸出至空气中，故用风机通过罩于酸腐蚀处理槽上方的风罩抽吸含氟化氢和氮氧化物的空气，然后将该气体送往废气处理装置进行处理，达标排放。经检测达到规定的质量指标的块状多晶硅产品送去包装。

13．废气及残液处理工序

①含氯化氢工艺废气净化

SiHCl3提纯工序排放的废气、还原炉开停车、事故排放废气、氯硅烷及氯化氢储存工序储罐安全泄放气、CDI吸附废气全部用管道送入废气淋洗塔洗涤。

废气经淋洗塔用10%NaOH连续洗涤后，出塔底洗涤液用泵送入工艺废料处理工序，尾气经15m高度排气筒排放。

②残液处理

在精馏塔中排出的主要含有四氯化硅和聚氯硅烷化合物的釜地残液以及装置停车放净的氯硅烷残液液体送到本工序加以处理，需要处理的液体被送入残液收集槽，然后用氮气将液体压出，送入残液淋洗塔洗涤。采用10%NaOH碱液进行处置，废液中的氯硅烷与NaOH和水发生反应而被转化成无害的物质（处理原理同含氯化氢、氯硅烷废气处理）。

③酸性废气

硅芯制备和产品整理工序产生的酸性废气，经集气罩抽吸至废气处理系统。酸性废气经喷淋塔用10%石灰乳洗涤除去气体中的含氟废气，同时在洗涤液中加入还原剂氨，将绝大部分NOx还原为N2和H2O。洗涤后气体经除湿后，再通过固体吸附法（以非贵重金属为催化剂）将气体中剩余NOx用SDG吸附剂吸附，然后经20m高度排气筒排放。

14．废硅粉处理

来自原料硅粉加料除尘器、三氯氢硅合成车间旋风除尘器和合成反应器排放出来的硅粉，通过废渣运料槽运送到废渣漏斗中，进入带搅拌器的酸洗管内，在通过31%的盐酸对废硅粉（尘）脱碱，并溶解废硅中的铝、铁和钙等杂质。洗涤完成后，经压滤机过滤，废渣送干燥机干燥，干燥后的硅粉返回到三氯氢硅合成循环使用，废液汇入废气残液处理系统与废水一并处理。从酸洗罐和滤液罐排放出来的含HCl废气送往废气残液处理系统进行处理。

15．工艺废料处理工序

①Ⅰ类废液处理

来自氯化氢合成工序负荷调整、事故泄放废气处理废液、停炉清洗废水、废气残液处理工序洗涤塔洗涤液和废硅粉处理的含酸废液在此工序进行混合、中和、沉清后，经过压滤机过滤，滤渣（主要为SiO2）送水泥厂生产水泥。

②Ⅱ类废液处理

来自硅芯制备工序和产品整理工序的废氢氟酸和废硝酸及酸洗废水，用10%石灰乳液中和、沉清后，经过压滤机过滤，滤渣（主要为CaF2）送水泥厂生产水泥。沉清液和滤液主要为硝酸钙溶液，经蒸发、浓缩后，做副产品外售。蒸发冷凝液回用配置碱液。