硅石|从硅石到金属硅再到高纯度硅的制作工艺

从晶石原料到半导体元器件的制程多晶硅产业链是指从硅石中冶炼金属硅开始，经过一系列的物理或化学方法提纯为一定纯度的多晶硅后，向半导体集成电路、器件产业和太阳能光伏产业及应用不断延伸的产业链。而多晶硅材料是多晶硅产业链中一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳电池及高纯硅制品的主要原料，也是发展信息产业和新能源产业的重要基石。
按照下游应用领域，硅材料产业链可划分为两大分支：一个分支是以半导体硅材料制程为主链的工艺路线，最后制出集成电路、器件（IC封装等），它属半导体产业领域；另一分支是以多晶硅基（或单晶硅基）太阳能电池制程为主链的工艺路线，最后制出太阳能电池组件，它属光伏产业领域。两大分支在中间产品、技术、市场特点等方面有相似之处，也有差别。

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2015年，世界半导体级多晶硅的需求量达到6万吨以上，区熔硅单晶的市场规模约为 6500吨；我国半导体级多晶硅的需求量超过3500吨，区熔硅单晶也达到约500吨。到2020年，各类市场前景将更加乐观，我国电子级多晶硅预计将达到1.5 万吨左右的规模。
国外硅半导体的主要企业及研发机构包括：美国Hemlock、MEMC，日本Tokuyama，德国Wacker，韩国OCI公司等。这几家公司占据着硅半导体市场规模的70%～80%。
近年在发展多晶硅产业链中，是十分注重多晶硅所产生的副产物的综合利用的问题，发展它的副产物的产业链同样有广阔的发展前景与经济效益。多晶硅生产中的副产品主要有氯化钙、四氯化硅、气相二氧化硅等。国外已出现许多利用副产品获得可观的产业化成果。它不但对环境保护、综合利用工作有很好的效果，而且在经济效益上有很高的价值。

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从硅石还原为金属硅由天然硅石和硅砂制作单晶硅圆片（晶圆），一般按下述简写的工艺步骤进行：硅石、硅砂→二氧化硅→冶金级硅（简称金属硅）→高纯多晶硅→拉制单晶硅→单晶棒切割成硅圆片→硅圆片研磨（抛光）→抛光硅圆片。
在半导体技术领域，一般称二氧化硅为silica，以示与化学法制作的二氧化硅的区别。另外，硅对应的英文词是silicon，不要与silica相混淆。自然界的硅通常以硅石（主要成分为SiO2）或硅酸盐的形式存在。但从硅石变成硅圆片绝不是一件容易的事。硅石中硅与氧的结合键很强，因此首先要在电弧炉中将硅石熔化，用碳或石墨使硅还原，首先制成纯度大约为98%的还原“金属硅”(冶金级单质硅)。硅石还原需要大量的能量，可以想象，制造金属硅所需要的电力，与制造金属铝所需要的电力不相上下。
硅石还原反应的化学方程式为：
SiO2+2C（焦炭等）——→Si+2CO↑
为引发该反应的发生，炉内要加热至1500℃以上。这样得到的冶金级硅中由于仍含有铝（Al）、铁（Fe）及其他金属等杂质，纯度一般在98%左右，仍然不适于单晶硅的制造。因此，需要以下的反应进一步提高硅的纯度。每一个步骤提高纯度的原理。
将冶金级单质硅（金属硅）制成微细粉末，使其与液态氯化氢（HCl）在大约300℃发生如下反应：
Si+3HCl—→SiHCl3+H2↑
生成透明液体，得到三氯氢硅。将三氯氢硅蒸馏、精制，使其达到尽可能高的纯度。

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多晶硅的析出和生长：将很脆的块状还原金属硅粉碎成微细的粉末，并溶于盐酸（HCl）中，在大约300℃使二者发生下述反应，由此合成三氯氢硅(SiHCl3，或称三氯硅烷)