淺述多晶硅生產(chǎn)用沉積載體

楊永亮 石何武 姜利霞 張升學(xué)

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅作為太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，世界上多個發(fā)達(dá)國家均將其列為戰(zhàn)略性材料。光伏發(fā)電在中國、歐洲、美國和日本等地區(qū)和國家發(fā)展迅速，年均增長率達(dá)到20%以上，在世界各種能源增長速率中名列第一。光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動了多晶硅材料的需求猛烈增長，我國多晶硅的生產(chǎn)規(guī)模也持續(xù)增長，目前中國已成為全球光伏產(chǎn)業(yè)大國。

電子級多晶硅是制取單晶硅的超純原料，是信息產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)原料。由于大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的突破，半導(dǎo)體器件得到飛速發(fā)展，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。半導(dǎo)體工業(yè)主要包括集成電路以及分立器件，是幾乎所有電子信息制造業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)元器件，包括計算機、通信設(shè)備、數(shù)字視聽、發(fā)光二極管等。同時用多晶硅制造的大規(guī)模集成電路及分立器件還可以應(yīng)用在其他行業(yè)，如機床、航天、汽車、醫(yī)療、軍事、船舶、鐵路等，甚至可以對傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行信息技術(shù)改造，包括鋼鐵、紡織、化工等?？梢哉f，電子級多晶硅材料是當(dāng)代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料，被稱為“微電子大廈的基石”。

鑒于多晶硅的多種用途以及規(guī)模化生產(chǎn)的迅速擴張，對其生產(chǎn)過程中的易耗品沉積載體硅芯進(jìn)行研究就顯得十分重要。本文將圍繞多晶硅沉積載體硅芯的形態(tài)、加工方式、生產(chǎn)成本以及實際應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)地分析和討論，力求為多晶硅實際生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 硅芯的形態(tài)

在多晶硅早期的生產(chǎn)及實驗過程中，采用鉭絲、鉬絲等金屬導(dǎo)體作為沉積載體，后來因為這些載體在成品多晶硅中需要單獨把這部分載體剝離出來，給生產(chǎn)帶來很多不便；后來就發(fā)展到直接用硅芯作為沉積載體，這樣載體就不需要單獨去從成品中剝離出來，給多晶硅生產(chǎn)帶來較大的便利性。

硅芯的形態(tài)多樣，主要體現(xiàn)在硅芯的表面形態(tài)上，因為硅芯能夠提供沉積表面的大小是多晶硅前期沉積速度快慢的關(guān)鍵。硅芯的發(fā)展歷程經(jīng)歷了最初φ6～10 mm實心圓硅芯到(10 mm×10 mm)～(15 mm×15 mm)的實心方硅芯發(fā)展過程，進(jìn)而又研發(fā)出現(xiàn)在的中空φ40～45 mm圓硅芯，從這種形態(tài)的變化上看，無疑就是為了增大前期沉積載體表面積，滿足多晶硅氣相沉積爐內(nèi)的前期硅料沉積速度，從而達(dá)到提升速率降低多晶硅生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

2 硅芯的加工方式

根據(jù)硅芯的形態(tài)差異所采取的硅芯加工方式也有區(qū)別，為了達(dá)到目標(biāo)硅芯的生產(chǎn)要求，硅芯的加工方式也在不斷的進(jìn)步和完善。

2.1 圓硅芯加工

圓硅芯是作為多晶硅生產(chǎn)早期使用的氣相沉積載體，主要是利用多晶硅還原爐內(nèi)專門生長的硅芯原料棒在區(qū)熔硅芯爐內(nèi)拉制而成。

在生產(chǎn)過程中，需要利用多晶硅氣相沉積還原爐按照專有的工藝生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)硅芯原料棒，硅芯原料棒經(jīng)過加工處理后達(dá)到硅芯爐使用標(biāo)準(zhǔn)，主要是從直徑、長度、橢圓度、翹曲度等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制；硅芯原料棒在硅芯爐的底座上固定，然后利用籽晶引晶，通過加熱線圈融化硅芯原料棒，提升機構(gòu)勻速提升籽晶，生產(chǎn)出設(shè)定直徑的圓硅芯。

區(qū)熔硅芯爐早期是一次只能拉制一根硅芯，后來發(fā)展到一次可以同時提拉5根，目前已有同時提拉7根的設(shè)備在應(yīng)用。這都得益于區(qū)熔基座硅芯爐的發(fā)展，對硅芯原料棒的線圈以及配套加熱電器不斷的優(yōu)化提升使得硅芯生產(chǎn)效率大幅提升。目前單臺硅芯爐24 h連續(xù)生產(chǎn)可以產(chǎn)出硅芯30根左右，一名熟練的操作工可以同時兼顧3～5臺硅芯爐的操作，這就從人力成本和設(shè)備折舊上大大降低了硅芯的生產(chǎn)成本。

2.2 方硅芯加工

方硅芯是在多晶硅生產(chǎn)過程中通過實踐逐漸開發(fā)出的一種新型氣相沉積載體，其加工主要通過方硅芯切割機來實現(xiàn)，目前主要有單晶棒線切割和鑄錠爐方錠線切割兩種。

1)單晶棒線切割。還原爐內(nèi)生產(chǎn)出的原生多晶硅通過破碎處理后，進(jìn)入到單晶爐生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，拉制出致密的單晶原料棒，作為方硅芯切割的原料。根據(jù)所生產(chǎn)方硅芯的規(guī)格尺寸可以設(shè)定單晶原料棒尺寸，這樣能夠提高方硅芯的有效切割率，減少硅料的浪費。目前方硅芯截面尺寸基本在15 mm×15 mm，因此單晶原料棒的直徑基本都在φ200 mm左右，單根單晶棒能夠切割方硅芯109根。

2)鑄錠爐方錠線切割。鑒于方硅芯的表面情況，近年來開發(fā)出了長方形鑄錠爐，專門為生產(chǎn)方硅芯原料棒而研發(fā)，通過對鑄錠爐熱場的改造以及匹配加熱器的優(yōu)化提升，長方形錠質(zhì)地均勻，能夠滿足方硅芯切割要求。目前方硅芯尺寸基本在15 mm×15 mm，因此出芯效率高的方錠截面積為265 mm×265 mm，單錠能夠切割方硅芯數(shù)量為240根左右，大大提高了硅芯的生產(chǎn)效率。

2.3 中空硅芯加工

中空硅芯是在多晶硅生產(chǎn)過程中追求前期沉積表面積而衍生出的一種新型沉積載體。在多晶硅生產(chǎn)過程中，因為前期沉積載體表面積小，沉積速率慢，平均電耗高，使得多晶硅的生產(chǎn)成本被拉高。為了追求前期的多晶硅沉積載體表面積，現(xiàn)在開發(fā)出一種真空硅芯沉積載體，可以縮短前期高電耗生長時間，降低多晶硅生產(chǎn)成本。

在中空硅芯加工生產(chǎn)設(shè)備上，中空硅芯表面可以是圓形也可以是方形，這就需要采用特殊的硅芯加工設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，目前國內(nèi)還鮮有使用，國外有部分公司在試用階段，這種硅芯的加工生產(chǎn)尚存在一定的難度，是沉積載體未來的一個發(fā)展方向，在本文后面的詳細(xì)分析中將不作為對比分析對象。

3 硅芯生產(chǎn)成本估算

硅芯生產(chǎn)成本計算主要從原料成本、設(shè)備折舊、能源消耗、人力成本、制造費用等關(guān)鍵生產(chǎn)要素考慮。

3.1 原料成本

生產(chǎn)硅芯采用的原料均為原生多晶硅，拉制圓硅芯需要采用專門的硅芯原料棒作為母料，這就導(dǎo)致還原爐的運行效率下降，因此原料成本相對來說比較高；而利用單晶棒或者方錠切割硅芯的原料可以直接用成品多晶硅進(jìn)行單晶拉制或者鑄錠，均不會占用還原爐專門生產(chǎn)硅芯母料，因此原料成本會相對低一點。在原料成本計算中，需要差價式對待拉制硅芯和線切硅芯的原料價格，因為在硅芯原料棒生長過程中，拉制硅芯是專用還原爐按照特定的工藝生長出的硅芯原料棒，其多晶硅生產(chǎn)電耗要高于普通多晶硅成品生產(chǎn)電耗，因此在計算原料成本的時候，拉制硅芯原料成本要高于切割方硅芯用原料成本。在硅芯的生產(chǎn)成本構(gòu)成中，硅料的原料成本占比在45%左右。

3.2 設(shè)備折舊

在不同硅芯生產(chǎn)方法中，硅芯拉制效率相對較低，匹配萬噸產(chǎn)能需要的硅芯爐臺數(shù)比較多。而切割硅芯匹配的設(shè)備除了切割原料生產(chǎn)設(shè)備外，還需要匹配專門的硅芯切割設(shè)備，因此設(shè)備種類相對較多。年產(chǎn)萬噸多晶硅生產(chǎn)規(guī)模的硅芯生產(chǎn)設(shè)備配置數(shù)量見表1。從表1可以看出，拉制圓硅芯需要匹配的設(shè)備數(shù)量多；而切割方硅芯需要的設(shè)備種類多。在硅芯生產(chǎn)成本中，設(shè)備折舊費用大約占5%。

表1 年產(chǎn)萬噸多晶硅的設(shè)備配置

3.3 能源消耗

能源消耗主要是公輔水電氣的消耗，在硅芯拉制、硅芯切割以及切割原料棒生長過程中均需要用到冷卻水，加熱用到電，儀表控制上需要用到儀表氣源以及爐膛內(nèi)的氬氣保護等氣源，硅芯拉制爐和硅芯切割原料生產(chǎn)用單晶爐或者鑄錠爐均需要用到大量的電能。在硅芯生產(chǎn)成本中，能源消耗成本占到總成本的5%左右。

3.4 人工成本

人工成本就是在硅芯生產(chǎn)過程中需要配備的人員數(shù)量所需要的人工工資占硅芯的生產(chǎn)成本問題，根據(jù)不同硅芯的生產(chǎn)方式，需要匹配的人員數(shù)量也各有不同。目前較先進(jìn)的硅芯拉制爐，在生產(chǎn)過程中，一人可以操作3～5臺硅芯拉制爐，因此匹配年產(chǎn)萬噸多晶硅需要單班6人；硅芯切割機以及切割原料棒生產(chǎn)用的單晶爐需要每班匹配4人；硅芯切割機以及切割原料棒生產(chǎn)用的鑄錠爐每班需要匹配3人。人工費用在硅芯生產(chǎn)成本中占比不到10%。

3.5 制造費用

制造費用主要是指硅芯生產(chǎn)過程中各種輔材的消耗，尤其是硅芯拉制、線切原料棒的加工生產(chǎn)、硅芯切割加工等，其中的坩堝、熱場、金剛線、線圈以及石墨卡瓣等，制造費用占硅芯生產(chǎn)成本的10%左右。

3.6 硅芯成本計算

以匹配年產(chǎn)1萬噸多晶硅需要的硅芯數(shù)量來核算硅芯的生產(chǎn)成本。根據(jù)目前改良西門子法多晶硅還原爐生產(chǎn)的成品多晶硅棒來考慮，每噸多晶硅需要的沉積載體數(shù)量為10根左右，年產(chǎn)1萬噸多晶硅需要匹配10萬根硅芯。計算硅芯(硅芯長度按2.8 m考慮)的生產(chǎn)成本對比分析見表2。

從表2中可以看出，在方硅芯能夠提供較大沉積表面積的前提下，生產(chǎn)成本基本與圓硅芯成本齊平或略低于圓硅芯。

4 硅芯的應(yīng)用

硅芯因不同的生產(chǎn)加工方式使得硅芯的品質(zhì)存在一定的差異。硅芯拉制是通過區(qū)熔基座法拉制圓硅芯，硅芯品質(zhì)相對較高；而切割方硅芯均是通過多晶硅拉制或者多晶硅鑄錠獲得切割原料棒，然后在硅芯切割機上進(jìn)行線切獲得成品方硅芯，切割硅芯的品質(zhì)沒有拉制的品質(zhì)高。

在當(dāng)前太陽能級多晶硅就能滿足的光伏發(fā)電應(yīng)用過程中，方硅芯和圓硅芯均能滿足多晶硅生產(chǎn)要求，而隨著對光電轉(zhuǎn)化率的提升以及多晶硅品質(zhì)的要求越來越高，對沉積載體的品質(zhì)要求也將會逐步提升，這樣硅芯拉制爐將會占據(jù)一定的優(yōu)勢。

表2 硅芯生產(chǎn)成本估算 元/根

注：以上數(shù)據(jù)以中部地區(qū)最優(yōu)惠電價0.35元/kWh考慮，人力成本以6萬元/a估算。

在硅芯的生產(chǎn)過程中，圓硅芯的直徑控制是靠硅芯拉制爐的提拉速度和線圈加熱溫度來調(diào)節(jié)，硅芯的翹曲度相對會大，在硅芯的安裝過程中，會因為硅芯的粗細(xì)不均導(dǎo)致生長到后期出現(xiàn)偏心情況而出現(xiàn)倒?fàn)t現(xiàn)象，不過這些均可以通過精細(xì)化操作得以完善解決。而方硅芯是采用線切的方式加工而成，硅芯截面積大，強度高，垂直度好，承載能力大，安裝過程中容易與石墨卡瓣契合，使得還原爐的倒?fàn)t率大大的降低[3]。

目前國內(nèi)外大部分多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用方硅芯作為多晶硅沉積載體，基本能生產(chǎn)出太陽能一級品多晶硅，滿足目前市場需求，部分企業(yè)仍采用硅芯拉制的圓硅芯作為沉積載體，該部分企業(yè)多晶硅品質(zhì)有小部分產(chǎn)品能夠達(dá)到電子級多晶硅指標(biāo)要求，因此從這些實際應(yīng)用中可以看出沉積載體的品質(zhì)差異對最終產(chǎn)品的品質(zhì)差異。

5 結(jié)論

通過對多晶硅生產(chǎn)用不同沉積載體的詳細(xì)分析，可以看出方硅芯與圓硅芯隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展其成本大大降低，不同方法生產(chǎn)的沉積載體硅芯具有不同的特點，在多晶硅的生產(chǎn)過程中可以根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)選擇合適的生產(chǎn)方式來獲得多晶硅沉積載體，大致可以獲得如下經(jīng)驗，為多晶硅生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用：

1)沉積載體的表面積大能夠提高前期多晶硅的沉積速率，縮短高電耗生長時間，能夠有效地降低多晶硅生產(chǎn)成本。

2)在多晶硅內(nèi)在品質(zhì)要求不同的情況下，拉制硅芯的品質(zhì)要優(yōu)于切割硅芯的品質(zhì)。

3)相同規(guī)格尺寸的方硅芯的生產(chǎn)成本低于圓硅芯的生產(chǎn)成本，可以根據(jù)多晶硅的市場情況選擇合適的沉積載體硅芯加工方式。

4)管狀硅芯的技術(shù)研發(fā)仍在不斷優(yōu)化完善，以獲得能夠更加穩(wěn)定的加工生產(chǎn)方式，需要時間來完善和證明。