硅材料厂设计(engineering design of silicon materials plant)

以工业硅为原料，经化学方法制取硅多晶，并以区域熔炼或直拉法制取硅单晶，再经机械加工生产硅片的半导体材料厂设计。硅材料厂设计范围主要包括：硅多晶车间设计、硅单晶车间设计和硅片加工车间设计。

简史   采用杜邦法(Du Pont Process)生产硅材料的第一家工厂，于1951年在美国建成投产。该法用锌作还原剂，硅多晶产品纯度不高。电子工业的发展，对硅材料质量不断提出新的要求。1957年采用三氯氢硅法生产硅多晶的工厂在联邦德国建成。70年代，该工艺又经不断改进、完善，过程中产出的大量物料基本上得到了综合利用，形成闭路循环系统。80年代建设的工厂，大都采用改良三氯氢硅法工艺。1961年在日本建设了采用与三氯氢硅法同时研究的硅烷法工艺的工厂，经不断改进，1984年采用新硅烷法工艺生产硅多晶的工厂投产。

在中国，硅材料厂的设计始于50年代末，硅多晶生产采用四氯化硅氢还原工艺。用三氯氢硅法生产硅多晶的第一家工厂，于1964年设计，1965年建成投产。到80年代末，已设计建成10多个硅材料厂。设计主要内容包括：设计规模与产品方案、工艺流程选择、设备选择、车间组成与工厂布置和技术经济指标。

设计规模与产品方案   硅材料厂一般有硅多晶、硅单晶和硅片三类产品系列。仅生产硅多品的称为硅多晶厂。硅多晶厂车间根据原材料和辅助材料供应情况，可在化工厂内或附近建设。硅多晶厂最大生产规模达3000t／a。硅单晶厂年产能力为几吨到几百吨。设计规模愈大，对工艺设备和自动化水平要求愈高。

工艺流程选择   硅材料生产主要包括硅多晶、硅单晶和硅片加工三部分。

以工业硅为原料时，硅多晶生产有传统三氯氢硅法、改良三氯氢硅法和新硅烷法等工艺流程。传统三氯氢硅法实收率低、消耗高、产品成本高；改良三氯氢硅法采用闭路循环系统，大大降低原料消耗，各项指标均优于传统三氯氢硅法，新建厂一般选用改良三氯氢硅法；新硅烷法采用闭路循环系统，几乎无副产物排出，消耗指标低，是一种有发展前途的新工艺。

硅单晶生产主要有直拉法、区熔法，根据要求及用途进行选择。硅片加工通过切割、研磨、抛光等加工手段，将硅单晶加工成供可控硅、整流器使用的研磨片或供集成电路等用的抛光片。

硅材料厂原则工艺流程见图1、图2。

设备选择   硅材料厂主要生产设备有提纯塔、还原炉、单晶炉、切片机、磨片机和抛光机等。提纯塔型式有筛板塔、浮板塔、填料塔和泡罩塔等，通常选用筛板塔及浮板塔。还原炉有石英钟罩和不锈钢钟罩炉两种，一般选用后者。单晶炉有区熔炉和直拉炉两种，生产集成电路、中小功率晶体管、外延衬底用硅单晶，一般选用直拉炉；生产大功率电力电子元件及高能粒子探测器用硅单晶，一般选用区熔炉。

车间组成与工厂布置   硅材料厂的主要生产车间有硅多晶车间、硅单晶车间和硅片加工车间等。与生产车间配套的辅助生产设施主要有分析检验室、纯水站、氮气站、氩气站、压缩空气站、冷冻室和氢氧站等。

硅多晶车间须与要求洁净环境的硅单晶车间和硅片加工车间分开配置，并须位于厂区的下风向，各辅助生产设施通常靠近负荷中心布置。

技术特点   硅多晶生产过程中使用液氯、氢气，要求防腐蚀、防火、防爆，部分生产工序要求洁净的生产环境，硅单晶及硅片加工属于洁净和精密加工，其场所，要防振、防射频辐射干扰，部分生产工序对空气洁净度有较高的要求；生产需要高纯试剂、超纯水和超纯气等辅助材料。

技术经济指标   硅材料厂的主要技术经济指标如下。

产品合格率：硅多晶≥95％；硅单晶45％～75％；硅片加工70％～80％(按片数计)。

每公斤硅多晶还原耗电50～120kW•h。每公斤硅单晶(硅片)及硅片加工耗电500～1250kW•h。