■ 王榮躍馬軍

江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司

多晶硅還原爐用方、圓硅芯性?xún)r(jià)分析及展望

■ 王榮躍*馬軍

江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司

本文對(duì)方形、圓形硅芯的制造成本、使用特點(diǎn)、可能的其他形態(tài)，以及其在多晶硅生產(chǎn)中的性?xún)r(jià)成本等方面作了較為透徹的評(píng)析及展望。

方、圓硅芯；制造成本；使用性?xún)r(jià)比；多晶硅生產(chǎn)

0　引言

西門(mén)子法生產(chǎn)棒狀多晶硅，其原理是把經(jīng)過(guò)高純處理的，具有一定溫度、壓力和配比的氫氣和三氯氫硅通入密閉的還原爐內(nèi)，在電加熱（1080℃左右）的載體硅芯表面被連續(xù)還原而沉積制得（生長(zhǎng)）多晶硅［1］。隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，載體表面沉積量越來(lái)越多，使較細(xì)直徑的硅芯逐漸變粗為硅棒。當(dāng)硅棒生長(zhǎng)至合適的直徑后停爐，拆爐收獲。

載體材料的發(fā)展可分為3個(gè)階段［2］：

第一階段采用的是鉬絲或鉭管。雖簡(jiǎn)單方便，但成品硅棒長(zhǎng)成后只能采用敲擊去除原始鉬絲或鉭管，而且在高溫下金屬原子的擴(kuò)散嚴(yán)重影響多晶硅的純度和品質(zhì)，這一工藝很快被硅芯熱載體取代。

第二階段是區(qū)熔法硅芯爐拉制圓硅芯。借助多晶硅半導(dǎo)體隨溫度升高電阻降低的負(fù)阻效應(yīng)，硅芯在加熱或高壓擊穿的條件下成為熱載體后在還原爐內(nèi)進(jìn)行CVD生長(zhǎng)多晶硅，生產(chǎn)的多晶硅質(zhì)量明顯提高。硅芯拉制幾經(jīng)變革，從單次單拉一根到一爐次拉制數(shù)次及數(shù)根，效率大幅提高。

第三階段是線切割方形硅芯。

硅棒的沉積速度與載體的表面積相關(guān)。一爐硅棒生長(zhǎng)期里，載體的表面積從初始的硅芯表面積開(kāi)始，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，沉積出的硅棒越來(lái)越粗，載體表面積越來(lái)越大，反應(yīng)氣體對(duì)沉積面碰撞機(jī)會(huì)也越多，沉積速度也隨之變大，因而收率越來(lái)越高。

原始載體硅芯的長(zhǎng)度由還原爐鐘罩的高度而定，等高的方、圓硅芯由于截面形狀不同而表面積不同（如方形硅芯邊長(zhǎng)與圓形硅芯直徑相同的條件下），因而出現(xiàn)了沉積表面積的差異，從而影響硅棒的沉積速率及每爐次硅棒的生長(zhǎng)周期。但方形及圓形硅芯的生產(chǎn)方法不同，其生產(chǎn)裝備及其他的成本構(gòu)成也不同；同時(shí)，不同截面形狀的硅芯在使用中也存在不同的特點(diǎn)。

我國(guó)多晶硅企業(yè)主要采用西門(mén)子法生產(chǎn)棒狀硅產(chǎn)品，生產(chǎn)中需要大量的硅芯。目前，受歐美貿(mào)易摩擦影響，硅價(jià)下行，國(guó)產(chǎn)多晶硅利潤(rùn)壓縮甚至虧損，故硅芯在產(chǎn)品硅中的成本份額不可忽視［3］。本文根據(jù)多晶硅生產(chǎn)的實(shí)際，就硅芯的制備方式、生產(chǎn)成本、使用特性、經(jīng)濟(jì)性?xún)r(jià)及今后硅芯生產(chǎn)方式、截面形狀、研制方向等作了評(píng)析及展望。

1　硅芯的生產(chǎn)方式

圓硅芯由專(zhuān)門(mén)的硅芯爐利用硅芯母料拉制；方硅芯由單晶爐先把硅塊制成原料棒（致密無(wú)裂紋原料）再線切而成（致密而無(wú)裂紋的原料棒目前還沒(méi)有其他方式可獲得）。故現(xiàn)有2種硅芯的生產(chǎn)，均屬同類(lèi)設(shè)備密集的人控單機(jī)操作模式，潔凈廠房?jī)?nèi)操作，員工多，爐子全天侯間歇開(kāi)停爐，公用條件相似，設(shè)備及廠房投資大，因此其生產(chǎn)成本測(cè)算相對(duì)容易。

1.1硅芯爐拉制圓硅芯

區(qū)熔基座法拉制硅芯，目前已發(fā)展到5頭或7頭爐，即同時(shí)拉制5～7根，一次裝母料可拉制3次的工業(yè)化操作模式；效率高，操作穩(wěn)定；每個(gè)員工可同時(shí)操作2～3臺(tái)，每臺(tái)硅芯爐24 h可產(chǎn)出約30根的合格硅芯。這種國(guó)產(chǎn)化的爐型開(kāi)發(fā)成功后，迅速被國(guó)內(nèi)外多家多晶硅企業(yè)應(yīng)用，在支撐西門(mén)子法多晶硅的規(guī)模化生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。

硅芯拉制對(duì)員工的綜合素質(zhì)要求高，操作強(qiáng)度較大。圓硅芯規(guī)格一般為φ8 mm，長(zhǎng)度為2400～2800 mm，拉制合格率為95%以上。但由于圓硅芯拉制主要靠熔區(qū)溫度及功率控制直徑制得，硅芯形位尺寸沒(méi)有線切方硅芯好；使用中在石墨卡瓣上不完全面狀接觸，夾持效果不如方切硅芯，易在還原初始時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)，故對(duì)硅芯安裝技術(shù)要求較高。

1.2線切割方硅芯

線切割方硅芯概念和裝備由國(guó)外引進(jìn)，國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)在2007年前后引進(jìn)了梅耶博格的方硅芯專(zhuān)用切割機(jī)。此方法成品率及效率高，操作人員少。但缺點(diǎn)是割縫損耗及耗品成本大，隨著多線切割及耗品國(guó)產(chǎn)化，綜合成本雖大幅下降，但與硅芯拉制相比仍較高。

線切方硅芯盡管成本高，但具有相對(duì)表面積大、規(guī)格統(tǒng)一、直線度好的優(yōu)點(diǎn)，且使用中還存在一些潛在優(yōu)點(diǎn)，如夾持力大、鉛垂面容易保證等［4］。國(guó)內(nèi)使用方硅芯的企業(yè)有江蘇中能、陜西天宏、LDK（部分使用）等廠家，基于成本考慮，不少西門(mén)子工藝多晶硅生產(chǎn)廠（包含韓國(guó)OCI）仍使用圓形拉制硅芯。

2　硅芯的生產(chǎn)成本

2.1圓硅芯生產(chǎn)成本

眾所周知，為檢驗(yàn)及監(jiān)測(cè)多晶硅質(zhì)量，企業(yè)必須按生產(chǎn)線為單位專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)檢驗(yàn)料。檢驗(yàn)料與產(chǎn)品料的進(jìn)料工藝不同，為產(chǎn)出能 “掏料”的致密硅棒，其成本要高于產(chǎn)品料。但將“檢驗(yàn)料”與“硅芯母料”合為一體，這樣既能機(jī)械掏出用作基磷、基硼區(qū)熔檢驗(yàn)的檢驗(yàn)棒，又可當(dāng)作“母料”去拉制硅芯。

這里需考慮一個(gè)因素：每條生產(chǎn)線即便不生產(chǎn)“硅芯母料”，也必須生產(chǎn)與“硅芯母料”同質(zhì)的“檢驗(yàn)料”（高電耗），為覆蓋多晶硅生產(chǎn)周期而生產(chǎn)的“檢驗(yàn)料”所拉制的硅芯足夠提供本條線的硅芯使用。所以，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)高電耗、高成本的“硅芯母料”之說(shuō)有待商榷。

計(jì)算硅芯母料的成本，可以利用與多晶硅產(chǎn)品料成本增加值對(duì)比計(jì)算。母料成本比多晶硅產(chǎn)品料成本增加的部分主要是還原電耗增量。

如按2015年上半年國(guó)內(nèi)多晶硅廠家產(chǎn)品料平均生產(chǎn)成本90元/kg、還原電耗50 kWh/kg、硅芯母料或檢驗(yàn)料的還原電耗115 kWh/kg，硅料市價(jià)120元/kg，電價(jià)0.5元/kWh，考慮圓硅芯拉制裝置的生產(chǎn)、制造運(yùn)行成本（原輔料、低值易耗、動(dòng)力消耗、廠房及設(shè)備折舊、拉制及輔助人力），并計(jì)入生產(chǎn)硅芯母料而損失的機(jī)會(huì)成本等，規(guī)模生產(chǎn)每支圓硅芯的生產(chǎn)綜合成本約為125元/支。

2.2方硅芯生產(chǎn)成本

目前方硅芯一般是通過(guò)單晶爐先把原生多晶硅塊熔化后拉制成切割方硅芯所需的原料棒，即致密的多晶硅圓棒，直徑在180～210 mm，長(zhǎng)度與所需成品硅芯匹配，之后采用專(zhuān)門(mén)的切割機(jī)線切割，把硅芯原料棒剖切成方形硅芯。行業(yè)常用的方硅芯規(guī)格是：口為15 mm×15 mm，長(zhǎng)度為2400 mm。

方硅芯生產(chǎn)裝置配置大量的單晶爐、線切割機(jī)，其輔助配套與圓硅芯制備裝置相似，如機(jī)加工、腐蝕清洗、高純水、三廢（液、固、氣）處理、電力、水系管道等。

如按市價(jià)120元/kg的硅料為原料，考慮方硅芯制備裝置的生產(chǎn)、制造運(yùn)行成本（原熱場(chǎng)等輔料、石英坩堝等低值易耗、電力氬氣等消耗、廠房設(shè)備等折舊、拉制及輔助人力）等方面，規(guī)模生產(chǎn)下每支方硅芯的生產(chǎn)綜合成本約為400～500元/支。

3　抗倒伏能力分析

眾所周知，圓硅芯直徑控制是靠拉速和溫度調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到的，尺寸公差較大，裝硅芯時(shí)因粗細(xì)不勻，在卡瓣中為點(diǎn)接觸，所以不容易裝垂直，導(dǎo)致硅棒長(zhǎng)粗后承重偏心而引起倒?fàn)t。另外，圓硅芯搭橋橫梁擱放在開(kāi)槽中，接觸面小，高壓擊穿和大氣流時(shí)容易跌落產(chǎn)生倒?fàn)t。而方硅芯截面積大、強(qiáng)度高、承載能力大，尺寸標(biāo)準(zhǔn)，卡瓣裝夾垂直度容易保證，搭橋用圓錐榫連接可靠，使還原爐倒?fàn)t率大幅下降。從理論和實(shí)際考慮，方硅芯的抗倒伏能力確實(shí)存在優(yōu)勢(shì)。但圓硅芯的不足之處可通過(guò)精準(zhǔn)的安裝及啟爐工藝的優(yōu)化來(lái)克服，國(guó)內(nèi)已有不少?gòu)S家可做到使用圓硅芯裝爐硅芯無(wú)倒伏。

4　方、圓硅芯的使用效益測(cè)算

4.1方、圓硅芯的幾何尺寸對(duì)比

設(shè)圓硅芯尺寸為φ8 mm×2400 mm，方硅芯尺寸為15 mm×15 mm×2400 mm.

則方形硅芯的表面積是圓形硅芯的15×4/ （3.14×8）=2.39倍。

若圓形硅芯要達(dá)到方形硅芯的表面積，圓形硅芯的直徑需要達(dá)到15×4/3.14=19.1 mm。

4.2方硅芯與圓硅芯相比的優(yōu)劣勢(shì)

按照還原爐前期硅芯平均生長(zhǎng)速度1.6 mm/h的直徑增量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，達(dá)到直徑19.1 mm需要爐子運(yùn)行將近7 h。即φ8 mm硅芯生長(zhǎng)7 h后，將達(dá)到與方硅芯相同的表面積，然后其會(huì)具有與方硅芯相同的沉積速度，生長(zhǎng)狀態(tài)完全相同。也就是說(shuō)，方硅芯比圓硅芯少運(yùn)行了圓硅芯前期的7 h。但由于正常情況下都是當(dāng)硅棒生長(zhǎng)到需要的直徑后才停爐，所以方硅芯在爐單產(chǎn)方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

4.3使用經(jīng)濟(jì)性分析

方硅芯相比圓硅芯少運(yùn)行了7 h，這7 h（φ8 mm長(zhǎng)粗至φ19.1 mm）設(shè)平均功率為470 kW/h，總耗電量為3292 kWh，每爐用硅芯26支（12對(duì)棒，包括橫梁），根據(jù)直徑增量計(jì)算產(chǎn)量為34.2 kg（φ8 mm長(zhǎng)粗至φ19.1 mm）。這7 h的平均公斤電耗為96.3 kWh/kg。

通過(guò)電耗對(duì)比多晶硅產(chǎn)品成本（90元/ kg）計(jì)算得出前7 h生產(chǎn)成本為：90 +（96.3-50）×0.5=113.2元/kg。

每爐前7 h生產(chǎn)成本為113.2×34.2=3871.4元。

設(shè)方硅芯、圓硅芯的去稅價(jià)分別為470元/支、125元/支。

7 h后兩種硅芯達(dá)到相同表面積，但圓硅芯較方硅芯重量多了8.9 kg，即（0.25×3.14×0.01912-0.0152）×2.4×2.33×26，按多晶硅生產(chǎn)成本（90元/kg）扣除這8.92 kg的成本，得出采用方硅芯后每爐成本增加為：

470×26-（3871.4+125×26-8.92×90）=5901元/爐。

假設(shè)方形硅芯生產(chǎn)一爐需100 h，產(chǎn)量為2300 kg，沉積速度23 kg/h；則圓形硅芯一爐用時(shí)107 h，產(chǎn)量2308.9 kg，沉積速度21.58 kg/h。按此數(shù)據(jù)計(jì)算，月運(yùn)行相同時(shí)間600 h（設(shè)每爐運(yùn)行100 h，每月開(kāi)6爐），方形硅芯多產(chǎn)600×（23-21.58）=852 kg，但是成本增加6×5901=35406元/月，即由于使用方硅芯導(dǎo)致成本增加了：35406/ （2300×6）=2.57元/kg。

用方硅芯多產(chǎn)出的852 kg硅料除以新增方硅芯的成本，可得出新增產(chǎn)量的成本增加了41.56元/kg，即35406/852=41.56元/kg。故只有多晶硅的利潤(rùn)等于或超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，才能保本或盈利，也就是說(shuō)，提高的產(chǎn)量才能彌補(bǔ)使用方硅芯所帶來(lái)的成本提高。

5　其他方向及展望

5.1方硅芯生產(chǎn)的其他方式

1）方硅芯是利用原料棒切割而成的，原料棒的“質(zhì)量”相當(dāng)關(guān)鍵，不允許存在裂紋等影響切割質(zhì)量的缺陷，否則成品率會(huì)大幅下降。當(dāng)今在沒(méi)有合適原料棒的條件下，只能利用單晶爐來(lái)生產(chǎn)原料棒，而這正是所耗成本最大的工序，耗時(shí)（每根棒耗時(shí)3天多）、耗材（石英坩堝、熱場(chǎng)）、成本高（平均每根原料棒綜合成本約1.5萬(wàn)元）。

因此，直接在還原爐內(nèi)生產(chǎn)致密、無(wú)裂紋的多晶硅棒作切割用原料棒，可進(jìn)一步降低方硅芯的生產(chǎn)成本。同時(shí)，因避免了拉晶時(shí)坩堝、石墨熱場(chǎng)、保溫氈等的污染，自體切割獲得的方硅芯還可滿(mǎn)足更高純度等級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

與普通多晶硅產(chǎn)品相比，這樣的多晶硅原料棒制備難度大，需要在設(shè)備、工藝等方面加以改進(jìn)，摸索、優(yōu)化得到適宜的生產(chǎn)條件。

2）用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的類(lèi)似于硅料鑄錠爐的爐子，采用定向凝固的方法生產(chǎn)方條型的硅芯母料。其特征在于硅芯母料本體形狀為長(zhǎng)方體，期望重量可達(dá)500 kg以上［5］，產(chǎn)量高、能耗低，切割方硅芯時(shí)邊皮損耗小，可大幅降低方硅芯的制造成本。相關(guān)企業(yè)已采用該技術(shù)理論取得長(zhǎng)足的研發(fā)成果并申請(qǐng)了專(zhuān)利。

但鑄制硅錠的方式要做到導(dǎo)電型號(hào)頭尾一致及體量電阻率均勻，甚至能做到高阻，還需優(yōu)化和完善。

5.2大表面積的管狀硅芯

硅在還原爐載體硅芯的表面沉積，表面積逐漸增大，從最初的細(xì)硅芯棒直至長(zhǎng)成粗硅棒。沉積表面積越大，則沉積速度及實(shí)收率也越高，其關(guān)系符合線性上升的曲線。

為達(dá)到較大的沉積速度，繞開(kāi)沉積速度很小的初始階段，其最簡(jiǎn)單的方法就是增大“硅芯”的直徑，讓硅棒一開(kāi)始就在表面積較大的“硅芯”表面生長(zhǎng)。

空心管狀硅芯應(yīng)是滿(mǎn)足上述要求的形態(tài)之一。國(guó)外某公司已完成實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，2016年有望推向市場(chǎng)。據(jù)有限資料顯示，管狀硅芯外徑約50 mm，壁厚約1～2 mm，長(zhǎng)度滿(mǎn)足現(xiàn)有還原爐的要求，生產(chǎn)方式類(lèi)似于單晶爐，坩堝可重復(fù)使用30～40次，產(chǎn)量可提高30%，電耗可降低15%，測(cè)試已做到50 h沉積至φ125 mm。該公司已可控開(kāi)發(fā)一次拉一根及正在研發(fā)一次拉5根的管狀硅芯爐，商業(yè)模式是提供拉制管狀硅芯的設(shè)備，包括操作培訓(xùn)等，并申請(qǐng)專(zhuān)利。

空心管狀硅芯理論上可大幅度降低成本和增加產(chǎn)率，但這取決于管狀硅芯的生產(chǎn)成本以進(jìn)一步考核其性?xún)r(jià)比。另外，更粗的硅棒成品直徑及爐底盤(pán)上硅棒位置的改變，可能要變更相應(yīng)的還原爐及底盤(pán)。其相應(yīng)的圖片如圖1所示。

圖1　管狀硅芯研制過(guò)程

6　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了方、圓硅芯的生產(chǎn)及使用的不同，并展望了管型硅芯形態(tài)及研發(fā)方向，具體還需從企業(yè)的實(shí)際出發(fā)?；窘Y(jié)論如下：

1）截面15 mm×15 mm的方硅芯表面積比φ8 mm的圓硅芯大，能節(jié)省還原爐前期運(yùn)行約7 h，使還原爐運(yùn)行周期相應(yīng)縮短，沉積速度也相對(duì)提高（每爐運(yùn)行周期內(nèi)），每月每爐可提高約852 kg產(chǎn)量，但成本增加。因此，產(chǎn)品利潤(rùn)大于41.56元/kg時(shí)，可盈利。

2）如操作人員對(duì)還原爐的技術(shù)控制尚未熟練，為保證硅芯安裝鉛垂面，降低倒?fàn)t風(fēng)險(xiǎn)，使用方硅芯具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3）市場(chǎng)疲軟，產(chǎn)品利潤(rùn)處在保本邊緣，生產(chǎn)瓶頸不是還原爐數(shù)量緊缺時(shí)，使用方硅芯而增加成本的情況不可忽視。

4）由于方硅芯原料棒生產(chǎn)特點(diǎn)的原因，不能做到高阻。利用還原爐直接生產(chǎn)原料棒的方法理論上可行，但要探索最佳性?xún)r(jià)比的工藝及工業(yè)化驗(yàn)證，而且此種方硅芯可做到高純，可用于電子級(jí)高阻多晶硅的生產(chǎn)。

5）管狀硅芯屬創(chuàng)新，表面積大，可大幅提高還原沉積速度和降低多晶硅產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。但目前單根拉制的管狀硅芯成本高，制約了應(yīng)用，必須研制出具有成本優(yōu)勢(shì)的、可多根管狀硅芯同時(shí)拉制的設(shè)備。

［1］鄧豐， 唐正林. 多晶硅生產(chǎn)技術(shù)［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］黃開(kāi)金， 平述煌. 影響多晶硅生產(chǎn)電耗的因素及控制措施［J］.氯堿化工， 2015， 51（4）: 26-29.

［3］王新剛. 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］.化學(xué)技術(shù)與開(kāi)發(fā)， 2012， 41（9）: 27-33.

［4］呂維基， 李春振. 切割法生產(chǎn)硅芯電學(xué)性能的控制［J］.中國(guó)科技博覽， 2014， （28）: 67-68.

［5］孫勇.一種多晶硅的硅芯母料［P］.中國(guó): CN201320083449.X，2013-08-14.

2015-07-09

王榮躍 （1958—），男，本科、工程師，主要從事電子級(jí)、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)中非標(biāo)設(shè)備及產(chǎn)品前、后處理方面的研究及開(kāi)發(fā)。wangrongyue@gclsolarenergy.com