李玉焯, 孫 強, 湯傳斌

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

多晶硅

改良西門子法多晶硅還原工序節(jié)能降耗研究

李玉焯, 孫 強, 湯傳斌

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

介紹了多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，并針對改良西門子法的多晶硅制備環(huán)節(jié)，總結(jié)和分析了工藝、裝備及管理的能耗影響規(guī)律，并闡述了節(jié)能降耗的方法和措施。工藝方面應(yīng)在保證三氯氫硅一次轉(zhuǎn)化率的前提下，盡量提高多晶硅的沉積速率，通過適當提高混合氣流量和硅棒溫度，提高三氯氫硅摩爾比例，提高爐內(nèi)反應(yīng)壓力，達到降低電耗的效果；裝備方面可以選用多對棒還原爐，并優(yōu)化配套電器系統(tǒng)來確保電耗進一步降低；管理降耗的重點是重視市場的資源配置作用，能夠適時根據(jù)市場環(huán)境及時調(diào)整多晶硅質(zhì)量策略，并盡量降低備件消耗，利用考核和績效激勵方式減少人為浪費。

多晶硅; 沉積速率; 節(jié)能降耗

0 引言

多晶硅行業(yè)的發(fā)展始于20世紀50年代，早期的多晶硅產(chǎn)品主要面向半導(dǎo)體市場，由于半導(dǎo)體市場對多晶硅產(chǎn)品的需求量并不大，所以當前多晶硅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展主要受益于光伏產(chǎn)業(yè)的興起。全球多晶硅產(chǎn)品中，80%以上的產(chǎn)品應(yīng)用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，多晶硅作為太陽能電池的基本原材料，在國內(nèi)近十年得到了長足發(fā)展，但也經(jīng)歷了盲目擴張、同質(zhì)化嚴重以及產(chǎn)能過剩的不良階段，隨著國家政策規(guī)劃及準入門檻的制定，以及國際國內(nèi)市場的洗禮，多晶硅產(chǎn)業(yè)逐漸步入規(guī)模、技術(shù)和效能并重的健康發(fā)展模式。

多晶硅依據(jù)純度的不同可將其分為兩個等級：太陽能級多晶硅(SG)，純度為99.999 9%(6N)，主要用于太陽能電池芯片的生產(chǎn)制造；電子級多晶硅(EG)，純度為99.999 999 999(11 N)以上，主要用于半導(dǎo)體芯片制造。目前報道的多晶硅生產(chǎn)工藝較多，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝有改良西門子法、熱解硅烷法，新工藝有冶金法、鋅還原法、鋁熱還原法、碳熱還原法、氣- 液沉積法、常壓碘化學(xué)氣象傳輸凈化法和無氯技術(shù)等[1]。

目前的多晶硅產(chǎn)品，主要是以改良西門子法生產(chǎn)的棒狀多晶硅為主，以流化床技術(shù)生產(chǎn)的粒狀多晶硅為輔。國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)采用的主流技術(shù)幾乎都是改良西門子法，這種方法的優(yōu)點是節(jié)能降耗顯著、成本低、質(zhì)量高，采用綜合利用技術(shù)，對環(huán)境不產(chǎn)生污染。其主要技術(shù)包括：大直徑及多對棒節(jié)能型還原爐技術(shù)、導(dǎo)熱油/高溫水循環(huán)冷卻硅還原爐系統(tǒng)技術(shù)，還原爐尾氣封閉式干法回收技術(shù)及副產(chǎn)品SiCl4氫化生成SiHCl3技術(shù)[2]。

在現(xiàn)有的多晶硅企業(yè)的競爭中，產(chǎn)能的擴張和成本的降低仍然是目前多晶硅企業(yè)競爭力的核心，雖然有部分企業(yè)提出的新的制備工藝可能會革命性的降低成本，但是利用改良西門子法將仍然是未來一段時期內(nèi)生產(chǎn)多晶硅的主流技術(shù)。而在現(xiàn)有企業(yè)中，如何進一步擴大規(guī)模和降低成本將是占據(jù)產(chǎn)業(yè)先機的關(guān)鍵。

目前多晶硅現(xiàn)貨平均價格維持在16美元/kg左右，大部分多晶硅企業(yè)仍然處于盈虧平衡點以下，因此，要以市場為導(dǎo)向，打破行業(yè)、地區(qū)的限制，實行設(shè)備與資源的優(yōu)化組合，逐步降低多晶硅制備成本，走提質(zhì)降耗、創(chuàng)新發(fā)展的道路，才是未來多晶硅制造業(yè)的真正出路。本文主要圍繞改良西門子法的多晶硅還原工序，從工藝、設(shè)備和控制等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和提升，為多晶硅節(jié)能高效生產(chǎn)提供合理依據(jù)。

1 節(jié)能降耗途徑

1.1 優(yōu)化工藝條件

降低多晶硅生產(chǎn)能耗，在這里主要指降低多晶硅還原直接電耗(或稱還原電單耗)。在兼顧還原爐運行效率，也就是說在一定的運行周期前提下，要降低多晶硅還原工序的電單耗，主要有幾種途徑：

其一，在生長周期一定的條件下，盡量提高單爐產(chǎn)量，或者說提高多晶硅單位時間內(nèi)的生長重量，也就是多晶硅的沉積速率。那么，怎樣提高多晶硅的沉積率呢？

首先有必要認清多晶硅的反應(yīng)機理。改良西門子法是以氫氣(H2)為載氣，三氯氫硅(SiHCl3，或簡寫為TCS)氣體在還原爐內(nèi)的高溫硅棒表面(1 050～1 100 ℃)以氣相反應(yīng)沉積方式生成多晶硅，多晶硅的沉積速率取決于氣體流量、流體動力學(xué)特性、硅棒表面溫度、爐內(nèi)壓力、氣體配比(氫氣與硅烷氣體物質(zhì)的量比)等[3-4]。

還原爐內(nèi)主要有如下幾種反應(yīng)[5]：

(1)

(2)

(3)

其中反應(yīng)(1)和(2)是生成硅的主要反應(yīng)，因此應(yīng)該盡可能創(chuàng)造條件促使這兩種反應(yīng)發(fā)生，從而提高多晶硅的沉積速率。具體如下：

(a) 提高混合氣體(指H2和TCS的混合氣體)流量。流量增加有利于提高進入爐內(nèi)的氣體流速，改善爐內(nèi)氣、熱場分布。同時有理論研究認為，流速增加可以驅(qū)趕硅棒表面形成的HCl氣體，從而使三氯氫硅分子與硅棒表面接觸并發(fā)生反應(yīng)的幾率增加。這在生產(chǎn)實際中也得到了驗證，在相同配比條件下，適當提高混合氣體流量可以起到比較明顯的增加單爐產(chǎn)量的效果，而不至于明顯影響進入爐內(nèi)的三氯氫硅的轉(zhuǎn)換效率。假如三氯氫硅轉(zhuǎn)化率為10%，則相應(yīng)增加的氣量基本按照該轉(zhuǎn)化率形成多晶硅。但是氣量不能無限度地增加，由于反應(yīng)速度很快，沉積速度相對較慢，過度提升氣量會導(dǎo)致三氯氫硅轉(zhuǎn)換率或硅有效生長率降低，從而影響單爐多晶硅的有效產(chǎn)量。同時，由于高純原料未參與反應(yīng)而直接進入干法回收系統(tǒng)，增加干法回收系統(tǒng)的負荷，從而對后續(xù)工序降低能耗不利。

(b) 提高爐內(nèi)壓力。反應(yīng)(1)和(2)均為體積增大反應(yīng)，提高壓力，反應(yīng)應(yīng)該左移，即阻礙生成硅的反應(yīng)發(fā)生。但是壓力增加后，單位體積內(nèi)的三氯氫硅密度增加，與硅棒的接觸幾率也會增加，從而一定程度抵消反應(yīng)左移的影響，最終效果為硅沉積速率增大。還原爐從低壓還原爐(<0.1 MPa)到目前的加壓還原爐(>0.5 MPa)，電耗從原來的200 kWh/kg-Si以上下降至目前的40～60 kWh/kg-Si，同時產(chǎn)量也實現(xiàn)了翻番，體現(xiàn)了還原爐加壓帶來的節(jié)能降耗效果。但是提高還原爐壓力，前后配套的原料、干法回收系統(tǒng)，以及相連的管路、設(shè)備都需要提高壓力等級，投資成本及運行安全風(fēng)險都會增加，因此，目前還原爐加壓至0.5～0.6 MPa是一種比較經(jīng)濟的壓力狀態(tài)。

(c) 另外，改變混合氣體配比是同時降低用電量并提高產(chǎn)量的最直接有效方法。尤其是當H2比例下降時，電單耗降低效果非常明顯。根據(jù)反應(yīng)(2)，降低H2濃度，會有更多的TCS參與熱分解反應(yīng)而生成硅，而且單位體積內(nèi)的三氯氫硅濃度增加，進一步提高了三氯氫硅分子與硅棒接觸的幾率，從而起到提高硅沉積效率的作用，如圖1所示。

圖1 混合氣配比(H2/TCS，摩爾比)變化的影響規(guī)律(壓力：0.5 MPa)

從圖1可知，隨著混合氣配比(H2/TCS，摩爾比)的降低，重量增長速率呈穩(wěn)步上升趨勢，而多晶硅電單耗在配比由6∶1降至3.5∶1過程中呈急劇下降趨勢，而后從3.5∶1至2.5∶1階段穩(wěn)步下降，在此過程中，三氯氫硅的一次轉(zhuǎn)換率也由13%左右降至10.5%左右。也就是說氫氣比例在一定范圍內(nèi)降低能起到較明顯的降耗效果，但進一步降低氫氣比例，爐內(nèi)無定形硅會顯著增加，硅有用沉積比降低。根據(jù)實踐經(jīng)驗，尤其是降到3∶1以下時比較明顯。無定形硅會對管路及還原尾氣干法回收系統(tǒng)帶來不利影響，使配套系統(tǒng)的處理和維護成本增加。因此在無定形硅問題不能得到有效解決的前提下，控制混合氣配比(H2/TCS，摩爾比)在3∶1以上十分必要。

(d) 多晶硅生長過程中與硅棒溫度控制有很大關(guān)系。如何用盡量少的電流維持硅棒正常反應(yīng)溫度，需要從熱量輸入和輸出入手。反應(yīng)需要的熱量主要來源于電能的轉(zhuǎn)換，以提高反應(yīng)氣體的溫度為輔。首先，可通過合理設(shè)計換熱器，讓還原尾氣與混合氣充分換熱，進而提高進入爐內(nèi)的混合氣溫度，縮小與正常反應(yīng)溫度之間的梯度差。其次，減少熱量輸出，維持一定的爐壁與底盤溫度。熱量輸出主要依靠還原爐及底盤冷卻介質(zhì)(水、導(dǎo)熱油等)，因此在保證高溫水或?qū)嵊桶踩褂玫那疤嵯拢M量降低高溫水或?qū)嵊屠鋮s介質(zhì)流量，提高冷卻介質(zhì)出口溫度，可以進一步減少用電量，達到降低多晶硅還原電單耗的效果。

1.2 改進裝備水平

還原爐裝備水平改進能夠能夠進一步提升工藝條件優(yōu)化帶來的節(jié)能降耗效果。

應(yīng)用多對棒大型還原爐是目前多晶硅裝備提升的主要途徑。作為多晶硅生產(chǎn)的還原爐，基本是以增加硅棒對數(shù)作為更新?lián)Q代的依據(jù)，從早期的12對棒，到目前普及應(yīng)用的24對棒，再到現(xiàn)在運行的新型的36對、40對、48對棒、51對棒，甚至特大型還原爐，都是基于硅棒對數(shù)增加，對提升單爐產(chǎn)量，以及能更加充分利用爐內(nèi)空間及硅棒間輻射熱而進行的裝備改進。圖2是在同樣工藝條件下，不同對數(shù)硅棒的還原爐的能耗變化趨勢。

圖2 不同類型還原爐對還原電單耗的影響

由圖2可知，隨著硅棒數(shù)量的增加，在同樣工藝條件下，多晶硅電單耗呈穩(wěn)步下降趨勢，但下降幅度隨著硅棒數(shù)量的不斷增加而逐漸變小，說明單純靠增加硅棒對數(shù)，對降低電單耗也有一定的受制區(qū)間。尤其是當還原爐內(nèi)多晶硅棒數(shù)增加到一定程度，對還原爐的運行穩(wěn)定性要求非常高，比如啟爐失敗或運行過程硅芯或硅棒倒爐、缺相都會極大增加還原爐的運行成本。另外，相關(guān)裝備的運行及維護成本也會顯著提高，比如天車的承載能力，出爐難度以及密封墊更換等，都會一定程度抵消大規(guī)格還原爐的節(jié)能降耗效果。還要說明一點，由于大型還原爐單爐產(chǎn)量高，如果單臺設(shè)備發(fā)生故障，將對整個多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)平衡造成很大的影響。

另外，還原爐穩(wěn)定運行是節(jié)能降耗的重要保障，比如選擇更好的配套電器系統(tǒng)，使之能夠與硅棒運行功率無縫匹配，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，可以減少啟爐時硅芯燒熔，運行時電流波動導(dǎo)致的硅棒燒流、燒裂現(xiàn)象，進而保證單爐產(chǎn)量，降低電耗。

1.3 提升管理水平

從目前多晶硅的售價來看，平均現(xiàn)貨價格已回到16美元/kg以上，但大部分企業(yè)仍然處于盈虧平衡點以下。因此，影響多晶硅成本的任何一個環(huán)節(jié)，從生產(chǎn)組織、決策到備品備件消耗，都對企業(yè)生存至關(guān)重要。 那么，從生產(chǎn)組織與管理上應(yīng)該怎么辦呢？

根據(jù)市場行情適時調(diào)整生產(chǎn)策略。比如，在現(xiàn)有工藝條件下，當無法同時滿足硅棒表觀質(zhì)量(如珊瑚料)及電單耗的前提下，而且當市場上標準料與珊瑚料存在價格差異時，或者珊瑚料在企業(yè)內(nèi)部可以通過下游消化時，該如何調(diào)整多晶硅生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本更低，是通過降低生長速度、提高電耗來減少珊瑚料產(chǎn)出量，還是盡量通過提高生長速度、降低電耗來增加珊瑚料產(chǎn)出量，這是應(yīng)該考慮的問題。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，多晶硅珊瑚料比例與電耗一般呈反比關(guān)系，因此應(yīng)考慮珊瑚料降低幅度與電耗提高幅度對成本的影響。設(shè)電價為P(元/kWh)，玉米料變化幅度為x(%)，等效電耗變化幅度為y(kWh/kg-Si)，珊瑚料與標準料差價為z(萬元/t)，我們可以通過下列公式進行估算：

根據(jù)該公式，可計算不同售價差值(z)時的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 爆米花料變化幅度與等效耗電量之間的關(guān)系(電價=0.57元)

從圖3可以看出，珊瑚料與標準料售價差值越大，珊瑚料變化幅度對應(yīng)的等效耗電量值越大，此時降低珊瑚料比例越有利。在售價差值較小的情況下，比如售價差值只有每噸0.5萬元時，降低珊瑚料比例20%，按照等價交換，相當于降低電耗小于2 kWh/kg-Si。也就是說，如果通過工藝調(diào)整，玉米料比例降低了20%，結(jié)果還原電單耗上升幅度大于2 kWh/kg-Si，則對于節(jié)約成本無益。由此得出結(jié)論，如果售價差值不大，則選擇降低電耗比降低珊瑚料比例帶來的節(jié)約成本效果要明顯得多，此時企業(yè)應(yīng)該加大產(chǎn)量，而不是一味追求表觀質(zhì)量。當然，從長遠來看，能夠兼顧表觀質(zhì)量與還原電單耗成本是多晶硅企業(yè)提升競爭力的重要途徑。

另外，在生產(chǎn)成本管理過程中，不要忽視備品備件對多晶硅成本的影響。比如，應(yīng)該控制與多晶硅還原工序備品備件的單位消耗，包括墊片、石英件、石墨件等，在多晶硅規(guī)?；a(chǎn)的時期，這些備品備件也是呈級數(shù)增加，降低備品備件消耗，也就等于降低了多晶硅生產(chǎn)成本。如合理使用墊片，延長墊片使用時間和次數(shù)；使用新型材料，通過試驗對比，選擇性價比優(yōu)的材料；加強出入庫管理，使材料消耗與班組對應(yīng)；加強考核和績效激勵掛鉤，減少人為浪費等等。

2 結(jié)論

西門子法生產(chǎn)多晶硅的還原工序，可以從以下方面實現(xiàn)節(jié)能降耗：

(1)在不影響三氯氫硅轉(zhuǎn)換率的前提下，利用高壓還原爐，適當提高混合氣流量，可以降低還原直接電單耗；降低混合氣中氫氣濃度，選擇低氫配比，可以大幅度降低多晶硅電耗，但是要考慮有效生長率以及無定形硅對多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。

(2)應(yīng)用多對棒大型還原爐，同時優(yōu)化電器系統(tǒng)，可以最大限度發(fā)揮大型還原爐的規(guī)模效應(yīng)，起到節(jié)能降耗效果。

(3)提高多晶硅生產(chǎn)組織及決策水平，要以市場為導(dǎo)向，用最少的資源創(chuàng)造最大的效益，同時要通過創(chuàng)新和管理提升，減少多晶硅生產(chǎn)輔材以及工藝輔助系統(tǒng)消耗，從而進一步降低多晶硅當量能耗。

[1]李永青. 硅烷法制備多晶硅工藝的探討[J]. 河南化工，2010，27:27-30.

[2]蔣榮華. 國內(nèi)外多晶硅發(fā)展現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，26(11)：7-10.

[3]張攀. 三氯氫硅和氫氣系統(tǒng)中多晶硅化學(xué)氣象沉積的數(shù)值模擬[J]. 人工晶體學(xué)報，2010，39(2)：494-500.

[4]Del C G, Del C C. Luque a chemical vapor deposition model of polysilicon in a trichlorosilane and hydrogen system[J]. 2008，(6).

[5]苗軍艦. 西門子體系中SiHCl3和SiCl4的熱力學(xué)行為[J]. 中國有色金屬學(xué)報，2008,18(10):1938-1944.

ResearchofenergyconservationofpolysiliconreductionbySiemensmethod

LI YU-zhuo, SUN Qiang, TANG Chuan-bin

The development and the current status of polysilicon industry are carefully described. Aiming at polysilicon preparation by Siemens method，the main influence of energy consumption was analyzed，including technology、equipment and management. It was also discussed the way of energy conservation. When maintaining TCS conversion efficiency as far as possible， increasing polysilicon deposition rate is the best way of saving energy. Increased deposition rate could be achieved by: raising the rod temperature, increasing the trichlorosilane(TCS) mole ratio, increasing the TCS mass flow over the rods, increasing the pressure in the reaction chamber. Improving the efficiency of energy conservation could be achieved by proper reactor design and operation. It was a trend to utilize more pair rods reactor，and the optimization of electric control system could ensure the power consumption further reduced. Improving management played a important role in energy conservation and material consumption. Polysilicon production and quality strategy should be timely arrangedt according to the market environment. It is important to reduce the consumption of raw material and consumables, and performance appraisal should be used to cut the human waste.

polysilicon; deposition rate; energy conservation

李玉焯(1972—)，女，吉林柳河人，碩士研究生學(xué)歷，高級工程師，從事企業(yè)管理工作。

TQ127.2

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