硅的化学制备及提纯
单质硅知识点
单质硅知识点单质硅是一种常见而重要的元素，它在自然界中广泛存在于各种矿石和岩石中。
单质硅也是一种重要的工业原料，被广泛应用于电子、光电、光纤等高科技领域。
本文将从单质硅的性质、制备方法以及应用领域等方面来介绍单质硅的知识点。
1.单质硅的性质单质硅的化学符号为Si，原子序数为14，属于第14族元素。
它是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧。
单质硅是一种灰白色的固体，具有金属和非金属的特性。
在常温下，单质硅是一种非金属半导体材料，具有良好的热传导性和耐高温性。
此外，单质硅还具有优异的光学性能，可以在光纤通信和太阳能电池等领域发挥重要作用。
2.单质硅的制备方法单质硅的制备主要有两种方法：化学法和物理法。
化学法主要是通过还原法将硅矿石转化为单质硅。
其中最常用的还原剂是石墨和木炭，通过高温反应使硅矿石中的氧与还原剂反应生成CO或CO2，最终得到单质硅。
此外，还可以通过电解法或热解法在实验室中制备单质硅。
物理法主要是通过高温熔融法将硅矿石熔化，然后冷却凝固形成单质硅。
这种方法主要用于工业生产中，可以得到较高纯度的单质硅。
3.单质硅的应用领域单质硅在电子、光电和光纤等领域具有广泛的应用。
在电子领域，单质硅是集成电路和半导体器件的主要材料。
由于单质硅具有优异的电子导电性和半导体特性，可以制备出高性能的晶体管、二极管和光电器件等。
此外，单质硅还可以用于制备太阳能电池和光伏发电系统，具有重要的能源应用价值。
在光电领域，单质硅的光学性能使其成为光学器件的主要材料。
单质硅可以用于制备光纤、光纤放大器和光学透镜等，广泛应用于通信、激光技术和光学仪器等领域。
此外，单质硅还可以用于制备光电探测器和光学传感器等，具有重要的光电转换功能。
在光纤领域，单质硅是制备光纤的主要原料。
光纤是一种可以将光信号传输的细长光导纤维，具有高速传输、大带宽和抗干扰等特点。
单质硅可以通过拉伸和熔融等方法制备出高纯度的光纤，广泛应用于通信、数据传输和传感技术等领域。
硅知识点总结
硅知识点总结关键信息项1、硅的物理性质名称：＿___________________外观：＿___________________硬度：＿___________________熔点：＿___________________沸点：＿___________________导电性：＿___________________2、硅的化学性质与氧气反应：＿___________________与氯气反应：＿___________________与氢氟酸反应：＿___________________与强碱溶液反应：＿___________________ 3、硅的用途半导体材料：＿___________________太阳能电池：＿___________________计算机芯片：＿___________________4、硅的制备方法工业制备：＿___________________实验室制备：＿___________________11 硅的物理性质硅是一种具有灰色金属光泽的固体，具有硬而脆的特点。
其晶体结构属于金刚石型，原子之间以共价键相结合，形成空间网状结构。
硅的硬度较大，莫氏硬度约为 7。
硅的熔点较高，约为 1414℃，沸点约为 2355℃。
在常温下，硅的导电性较差，属于半导体材料，但在高温下其导电性会增强。
111 硅的外观硅通常呈现出银灰色的外观，具有一定的金属光泽。
112 硅的导电性硅的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性可以通过掺入杂质来进行调节。
例如，掺入少量的磷或硼等杂质可以显著改变硅的导电性，使其分别成为 N 型半导体和 P 型半导体。
12 硅的化学性质硅在常温下化学性质相对稳定，但在一定条件下可以与多种物质发生化学反应。
硅在加热或点燃的条件下可以与氧气发生反应，生成二氧化硅（SiO₂）。
反应方程式为：Si ＋ O₂＝ SiO₂。
硅可以与氯气在加热条件下反应，生成四氯化硅（SiCl₄）。
第二章 硅和硅片制_
第二章硅和硅片制备硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。
锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：1）硅的丰裕度：硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。
2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限：硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，使得硅可以承受高温工艺。
3）更宽的工作温度范围：用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。
4）氧化硅的自然生成：硅表面有自然生长氧化硅(SiO2)的能力。
SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。
现在，全世界芯片的85%以上都是由硅来制造的。
2.1半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，有时也被称做电子级硅。
从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步。
现介绍一种得到SGS的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。
SiC（固体）+SiO2（固体）→Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体）在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98%。
由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。
第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。
Si（固体）+3HCl（气体）→SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。
2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→2Si（固体）+6HCl（气体）这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。
（图2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。
多晶硅提纯技术
多晶硅提纯技术目录摘要 (1)1引言 (1)2 多晶硅的提纯技术 (2)2.1 改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法 .........................2.2 流化床法——硅烷法——硅烷热分解法............................2.3冶金法——物理法——等离子体法 ................................ 3多晶硅提纯后的副产物的综合利用. (6)3.1 四氯化硅的性质 (6)3.2 四氯化硅的综合利用 .......................................... 4技术比较及发展趋势...................................................4.1国外多晶硅生产技术发展的特点.......................................4.2国内多晶硅生产技术发展趋势 (12)5 结束语 (14)6致谢 (15)7参考文献 (16)多晶硅的提纯技术及副产物的利用摘要：高纯多晶硅是电子工业和太阳能光伏产业的基础原料，在未来的50年里，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子和光伏产业主要原材料。
随着信息技术和太阳能产业的飞速发展，全球对多晶硅的需求增长迅猛，多晶硅价格也随之暴涨。
自2006年以来，受市场虚高价格与短期暴利诱惑，我国掀起了一波多晶硅项目的建设高潮，规模与投资堪称世界之最。
我国多晶硅产量2005年时仅有60吨，2006年也只有287吨，2007年为1156吨，但2008年狂飙到4000吨以上，2009年，中国多晶硅产量达1.5万吨。
2008年在金融危机影响下，多晶硅价格暴跌，从最高时的四五百美元/公斤，跌至最低至每公斤五六十美元。
2010年随着海外市场复苏，多晶硅进入新一轮投产热，乐电天威、鄂尔多斯子公司等多晶硅生产企业纷纷发布投产消息。
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12. *区熔提纯: 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或 头部，进而达到使中部材料被提纯。
第三章、晶体生长
一、 名次解释： ⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体
第一章硅、锗的化学制备
㈠ 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?
答：1.SiHCl3氢还原法: 优点: 产量大、质量高、成本低，由于SiHCl3中有一个Si-H键，活泼易分 解，沸点低，容易制备、提纯和还原。 缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要 杂质。
2.硅烷法： 优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。 缺点: 制备过程的安全性要求高。
O 之间发生一系列反应，在 450C°时 SiO 以最快的速度形成 SiO4，SiO4 是
一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参
与导电，SiO4 起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热
处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害
㈡ 制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯
1. 以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？
答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有 固相和液相。由图中可知，固相中杂志含量Cs<CL（液相中杂志成分）。 1、 这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未 结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。 2、 在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=CS/CL 叫作平衡分凝系数。 3、 为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响， 把固相杂质浓度CS与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为*有效分凝 系数。Keff=CS/CL0
第二章 硅和硅片制_
第2章硅和硅片制备硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。
锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：1）硅的丰裕度：硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。
2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限：硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，使得硅可以承受高温工艺。
3）更宽的工作温度范围：用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。
4）氧化硅的自然生成：硅表面有自然生长氧化硅(SiO2)的能力。
SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。
现在，全世界芯片的85%以上都是由硅来制造的。
.1 半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，有时也被称做电子级硅。
从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步。
现介绍一种得到SGS的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。
SiC（固体）+SiO2（固体）→Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体）在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98%。
由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。
第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。
Si（固体）+3HCl（气体）→ SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。
2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→ 2Si（固体）+6HCl（气体）这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。
（图2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。
高中化学 硅的性质及方程式
硅的物理性质和化学性质（1）物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，它的结构类似金刚石，具有较高的沸点和熔点，硬度也很大，它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
（2）化学性质：化学性质不活泼①常温下，除与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应外，与其他物质不反应(雕刻玻璃)②在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合(4)制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：，将制得的粗硅，再与Cl2反应后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。
有关的反应为：。
硅：①元素符号：Si②原子结构示意图：③电子式：④周期表中位置：第三周期ⅣA族⑤含量与存在：在地壳中的含量为26．3％，仅次于氧，在自然界中只以化合态存在⑥同素异形体：晶体硅和无定形硅硅及其化合物的几种反常现象:Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si 可从平衡移动的角度理解，由于高温下生成了气态物质CO2它的放出降低了生成物的浓度，有利于应反正向进行，故可发生反应：SiO2+2C Si+2CO↑部分非金属单质能与碱溶液反应，但其中只有 Si与碱反应放出H2 常见的非金属单质与碱溶液的反应有：Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O①3S+6NaOH2Na2S+Na2SO3+3H2O②Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑③在反应①②中，Cl2、S既作氧化剂又作还原剂：在反应③中，Si 为还原剂。
非金属单质一般不与弱氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还会产生H2硅酸不能由相应的酸酐与水反应制得制取硅酸的实际过程很复杂，条件不同可得到不同的产物，通常包括原硅酸(H2SiO4)及其脱水得到的一系列酸。
原硅酸经两步脱水变为SiO2，SiO2是硅酸的酸酐，是一种不溶于水的同体，不能直接用它制备硅酸，用SiO2制取硅酸时，可先将SiO2溶于烧碱中，再向溶液中加入足量的盐酸或通入过量的CO2，析出的胶状物就是原硅酸，将原硅酸在空气中脱水即得硅酸，反应原理可理解为：SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2ONa2SiO3+CO2+2H2O==Na2CO3+H4SiO4↓H4SiO4==H2SiO3+H2O非金属氧化物的熔沸点一般较低，但SiO2的熔沸点却很高非金属氧化物一般为分子晶体，但SiO2为原子晶体。
化学人教版(2019)必修第二册5.3.2硅及其化合物(共24张ppt)
第五章 第三节 第二课时
硅及其化合物
学习目标
• 1.通过与同主族元素碳及其化合物性质的类比，能预 测硅、二氧化硅和硅酸的性质，并用方程式表示其主 要的化学性质。
• 2.通过阅读分析信息和元素周期律，能说明制备高纯 硅和硅酸的路径。
个人预学
• 1.硅元素在元素周期表中的位置 • 2.高纯硅的制备流程 • 3.二氧化硅的用途
教师导学 硅酸的性质
Si
SiO2
×
H2SiO3
Na2SiO3
已知CO2可以溶于水并生成H2CO3 ， 但SiO2常温下为固体，不溶于水，硬度大，熔、沸点高， 不能与水反应生成硅酸。
如何制备硅酸？向硅酸盐溶液中加入盐酸或通入CO2
Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3↓+ Na2CO3
结论：硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱
教师导学 硅单质的性质
Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
(1) 硅元素的存在与结构
存在
含量
存在形态
地壳中
居第_二__位
__氧__化__物___ __和__硅__酸__盐__
(2) 硅的导电性：
原子结构 示意图
周期表中位 置
第__三__周_期__ _第_Ⅳ__A_族__
硅正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介 于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。
活动：类比推理硅及其化合物的性质 同伴助学
C的性质
自然界中的碳元素既有游离态(石墨、金刚石，碳60等），又有
化合态；碳的最外层都是 4 个电子，位于元素周期表的第 IVA族，
不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也
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硅的化学制备及提纯
摘要：
随着时代的发展，硅越来越被人类所利用。
它广泛应用于半导体，光导纤维等领域。
硅一般按照它的纯度来分类，纯度里面含有多少个九，我们就称它为多少个N的硅。
MGS<5N；
半导体级硅：>5N ；SGS:5N-8N ；EGS:9N-11N及以上，因而硅的纯度对器件的影响是至关重要的，所以我们必须应当尤其重视硅的提纯。
目前提纯硅的方法主要有：物理方法及化学方法。
以化学方法为例，分析了硅化学提纯中产生的成本问题就其讨论。
对硅材料的化学提纯工艺优化研究。
引言：
功能材料硅的工业制法硅是由石英砂在电炉中用碳还原
而得
其，反应式为 sio2 + 3c = sic + 2co 2sic + sio2 = 3si + 2co
所得硅纯度约为95％～99%，称为粗硅
又称冶金级硅，其中含有各种杂质，如
Fe
、
C、B、P等。
为了将粗硅提纯到半导体器
件所需的纯度，硅必须经过化学提
纯。
所谓硅的化学提纯
把硅用化学方法转化为中间化合物
再将中间化合物提纯至所
需的高纯度，然后再还原成为高纯硅。
1.三氯氢硅氢还原法可分为三个重要
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硅多晶
三氯氢硅
(SiHCl3 )
由
硅粉与氯化氢合成
而得。
化学反应式为
Si+3Hcl
→
SiHcl3+H2
上述反应要加热到所需温度才能进行。
又因是
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。
反应除了生成
SiHcl3外，
还有
SiCl4或SiH2Cl2等氯
硅烷以及其
他杂质氯化物
如
BCl3、
PCl
、
FeCl
、
CuCl
等
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品，符合器
件制造的要求。
精馏是近代化学工程有效的提纯方法，可获得很好的提纯效果。
三氯氢硅精馏一般分为两级
，常把前一级称为粗馏，
后一级称
为精馏。
完善的精馏技术可将杂质总量降低到
10-7
～
10-10
量级。
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
1100
～
1200
℃的热载体上。
载体常用细的高纯硅棒，通以大电流使其达到所需温度。
化学方程式为：
H2 + SiHcl3 = Si + Hcl
如氢与三氯氢硅的克分子比值按理论配比则
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。
还原时氢通人
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SiHCl3以减少损失。
2.硅烷热分解法
甲硅烷作为提纯中间化合物有其突
出的特点：
一是甲硅烷易于热分解在800～900℃
下分解即可获得高纯多晶，还原能耗较低。
二是甲硅烷易于提纯
在常温下为气体，
可以采用
吸附提纯方法
有效地去除杂质。
缺点是热分解时多晶的结晶状态不如其他
方法好，而且易于生成无定型物。
高纯硅
烷气又是外延单晶、多晶、非晶硅薄膜的
重要原材料。
曾被研究的甲硅烷的制备方法有多种，
如用氢化铝锂在乙醚溶液中与四氯化硅作用可
生成甲硅
烷。
过量的氢化铝锂有很好的去硼提
纯作用。
类似的方法还有用氢化钠代替氢化铝
锂在醚或四氢呋喃中与四氯化硅反应以上方法价格高，又不安全，易引起爆炸。
日本小松
电子金属公司在
20
世纪
60
年代末开始采用硅烷
法生产多晶硅，用硅化镁与氯化铵反应生成甲硅烷，化学反应如下
Mgsi
反应在液氨作为溶剂
下进行。
该方法的甲硅烷产率可达
60
％～
70
％，化学反应进行稳定。
硅烷法在提纯方面有许多优点有特殊的去硼技
术可以采用，
如上述的过量氢化铝锂的去硼作用。
在
液氨作为溶剂下，
用硅化镁与氯化铵反应生成甲硅烷也
有很好的去硼效果。
在硅的提纯中硼是被去除的首要对象。
由于各种金属杂质不能生成类似的氢化物或者其他
挥发性化合物，使得在硅烷生成的过程中，粗硅中的金
属杂质先被大量除去。
硅烷提纯的主要技术是精馏和吸附。
硅烷在常温下为气体，精馏必须在低温或低温非
常压下进行。
因此，硅烷精馏比其他的精馏方法复杂
但是硅烷气体却易于用吸附法提纯。
不需用氢还原
，甲硅烷可以热分解为多
晶硅是硅烷法的一大优点。
化学反应式如
下甲硅烷的分解温度低，在850℃时即可
获得好的多晶结晶。
而且，硅的收率达90
％
以上。
从而达到提出较为纯净的单质
硅！
问题：硅化学提纯中产生的成本问题
讨论：对硅材料的化学提纯工艺优化研究。
结论：从成本来看，工业一般不会用H2，只有精制硅的时候才用H2。
二氧化硅被碳还原得到的是粗硅，工业上常再将得到粗硅与氯气反应生成四氯化硅，利用其沸点较低蒸馏出来，再用氢气还原之，得到的是高纯硅。
参考文献：
[1]蒋荣华,邓良平,冯地直,等.新世纪国内外材料最新进展
[C].2007第三届国太阳级材料及太阳电池研讨会会议资料.
[2]薛钰芝,张力,林纪宁.太阳能光伏技术研究与发展[J].大连铁道学院学报,2003,24(4):71-74.
[3]Santos I C,Goncalves A P,Santos C,S,et al.Purification of metallurgical grade silicon by acid leaching[J].Hydrometallurgy,1990,23:237-246.
[4]吴亚萍,张剑,高学鹏,等.多晶真空感应熔炼及定向凝固研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26(12):792-794.
[5]周振平,李荣德.定向凝固试验研究现状[J].特种铸造及有色合金,2003(2):35-37.。