多晶硅還原爐用方、圓硅芯性價分析及展望

■ 王榮躍馬軍

江蘇中能硅業科技發展有限公司

多晶硅還原爐用方、圓硅芯性價分析及展望

■ 王榮躍*馬軍

江蘇中能硅業科技發展有限公司

本文對方形、圓形硅芯的制造成本、使用特點、可能的其他形態，以及其在多晶硅生產中的性價成本等方面作了較為透徹的評析及展望。

方、圓硅芯；制造成本；使用性價比；多晶硅生產

0　引言

西門子法生產棒狀多晶硅，其原理是把經過高純處理的，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，在電加熱（1080℃左右）的載體硅芯表面被連續還原而沉積制得（生長）多晶硅［1］。隨著反應時間的增長，載體表面沉積量越來越多，使較細直徑的硅芯逐漸變粗為硅棒。當硅棒生長至合適的直徑后停爐，拆爐收獲。

載體材料的發展可分為3個階段［2］：

第一階段采用的是鉬絲或鉭管。雖簡單方便，但成品硅棒長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散嚴重影響多晶硅的純度和品質，這一工藝很快被硅芯熱載體取代。

第二階段是區熔法硅芯爐拉制圓硅芯。借助多晶硅半導體隨溫度升高電阻降低的負阻效應，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進行CVD生長多晶硅，生產的多晶硅質量明顯提高。硅芯拉制幾經變革，從單次單拉一根到一爐次拉制數次及數根，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。一爐硅棒生長期里，載體的表面積從初始的硅芯表面積開始，隨著反應時間增加，沉積出的硅棒越來越粗，載體表面積越來越大，反應氣體對沉積面碰撞機會也越多，沉積速度也隨之變大，因而收率越來越高。

原始載體硅芯的長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（如方形硅芯邊長與圓形硅芯直徑相同的條件下），因而出現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周期。但方形及圓形硅芯的生產方法不同，其生產裝備及其他的成本構成也不同；同時，不同截面形狀的硅芯在使用中也存在不同的特點。

我國多晶硅企業主要采用西門子法生產棒狀硅產品，生產中需要大量的硅芯。目前，受歐美貿易摩擦影響，硅價下行，國產多晶硅利潤壓縮甚至虧損，故硅芯在產品硅中的成本份額不可忽視［3］。本文根據多晶硅生產的實際，就硅芯的制備方式、生產成本、使用特性、經濟性價及今后硅芯生產方式、截面形狀、研制方向等作了評析及展望。

1　硅芯的生產方式

圓硅芯由專門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（致密無裂紋原料）再線切而成（致密而無裂紋的原料棒目前還沒有其他方式可獲得）。故現有2種硅芯的生產，均屬同類設備密集的人控單機操作模式，潔凈廠房內操作，員工多，爐子全天侯間歇開停爐，公用條件相似，設備及廠房投資大，因此其生產成本測算相對容易。

1.1硅芯爐拉制圓硅芯

區熔基座法拉制硅芯，目前已發展到5頭或7頭爐，即同時拉制5～7根，一次裝母料可拉制3次的工業化操作模式；效率高，操作穩定；每個員工可同時操作2～3臺，每臺硅芯爐24 h可產出約30根的合格硅芯。這種國產化的爐型開發成功后，迅速被國內外多家多晶硅企業應用，在支撐西門子法多晶硅的規模化生產方面發揮了重要作用。

硅芯拉制對員工的綜合素質要求高，操作強度較大。圓硅芯規格一般為φ8 mm，長度為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溫度及功率控制直徑制得，硅芯形位尺寸沒有線切方硅芯好；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，易在還原初始時產生晃動，故對硅芯安裝技術要求較高。

1.2線切割方硅芯

線切割方硅芯概念和裝備由國外引進，國內多晶硅企業在2007年前后引進了梅耶博格的方硅芯專用切割機。此方法成品率及效率高，操作人員少。但缺點是割縫損耗及耗品成本大，隨著多線切割及耗品國產化，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，但具有相對表面積大、規格統一、直線度好的優點，且使用中還存在一些潛在優點，如夾持力大、鉛垂面容易保證等［4］。國內使用方硅芯的企業有江蘇中能、陜西天宏、LDK（部分使用）等廠家，基于成本考慮，不少西門子工藝多晶硅生產廠（包含韓國OCI）仍使用圓形拉制硅芯。

2　硅芯的生產成本

2.1圓硅芯生產成本

眾所周知，為檢驗及監測多晶硅質量，企業必須按生產線為單位專門生產檢驗料。檢驗料與產品料的進料工藝不同，為產出能 “掏料”的致密硅棒，其成本要高于產品料。但將“檢驗料”與“硅芯母料”合為一體，這樣既能機械掏出用作基磷、基硼區熔檢驗的檢驗棒，又可當作“母料”去拉制硅芯。

這里需考慮一個因素：每條生產線即便不生產“硅芯母料”，也必須生產與“硅芯母料”同質的“檢驗料”（高電耗），為覆蓋多晶硅生產周期而生產的“檢驗料”所拉制的硅芯足夠提供本條線的硅芯使用。所以，專門生產高電耗、高成本的“硅芯母料”之說有待商榷。

計算硅芯母料的成本，可以利用與多晶硅產品料成本增加值對比計算。母料成本比多晶硅產品料成本增加的部分主要是還原電耗增量。

如按2015年上半年國內多晶硅廠家產品料平均生產成本90元/kg、還原電耗50 kWh/kg、硅芯母料或檢驗料的還原電耗115 kWh/kg，硅料市價120元/kg，電價0.5元/kWh，考慮圓硅芯拉制裝置的生產、制造運行成本（原輔料、低值易耗、動力消耗、廠房及設備折舊、拉制及輔助人力），并計入生產硅芯母料而損失的機會成本等，規模生產每支圓硅芯的生產綜合成本約為125元/支。

2.2方硅芯生產成本

目前方硅芯一般是通過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，長度與所需成品硅芯匹配，之后采用專門的切割機線切割，把硅芯原料棒剖切成方形硅芯。行業常用的方硅芯規格是：口為15 mm×15 mm，長度為2400 mm。

方硅芯生產裝置配置大量的單晶爐、線切割機，其輔助配套與圓硅芯制備裝置相似，如機加工、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120元/kg的硅料為原料，考慮方硅芯制備裝置的生產、制造運行成本（原熱場等輔料、石英坩堝等低值易耗、電力氬氣等消耗、廠房設備等折舊、拉制及輔助人力）等方面，規模生產下每支方硅芯的生產綜合成本約為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節來達到的，尺寸公差較大，裝硅芯時因粗細不勻，在卡瓣中為點接觸，所以不容易裝垂直，導致硅棒長粗后承重偏心而引起倒爐。另外，圓硅芯搭橋橫梁擱放在開槽中，接觸面小，高壓擊穿和大氣流時容易跌落產生倒爐。而方硅芯截面積大、強度高、承載能力大，尺寸標準，卡瓣裝夾垂直度容易保證，搭橋用圓錐榫連接可靠，使還原爐倒爐率大幅下降。從理論和實際考慮，方硅芯的抗倒伏能力確實存在優勢。但圓硅芯的不足之處可通過精準的安裝及啟爐工藝的優化來克服，國內已有不少廠家可做到使用圓硅芯裝爐硅芯無倒伏。

4　方、圓硅芯的使用效益測算

4.1方、圓硅芯的幾何尺寸對比

設圓硅芯尺寸為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。

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

4.2方硅芯與圓硅芯相比的優劣勢

按照還原爐前期硅芯平均生長速度1.6 mm/h的直徑增量經驗數據可知，達到直徑19.1 mm需要爐子運行將近7 h。即φ8 mm硅芯生長7 h后，將達到與方硅芯相同的表面積，然后其會具有與方硅芯相同的沉積速度，生長狀態完全相同。也就是說，方硅芯比圓硅芯少運行了圓硅芯前期的7 h。但由于正常情況下都是當硅棒生長到需要的直徑后才停爐，所以方硅芯在爐單產方面沒有優勢。

4.3使用經濟性分析

方硅芯相比圓硅芯少運行了7 h，這7 h（φ8 mm長粗至φ19.1 mm）設平均功率為470 kW/h，總耗電量為3292 kWh，每爐用硅芯26支（12對棒，包括橫梁），根據直徑增量計算產量為34.2 kg（φ8 mm長粗至φ19.1 mm）。這7 h的平均公斤電耗為96.3 kWh/kg。

通過電耗對比多晶硅產品成本（90元/ kg）計算得出前7 h生產成本為：90 +（96.3-50）×0.5=113.2元/kg。

每爐前7 h生產成本為113.2×34.2=3871.4元。

設方硅芯、圓硅芯的去稅價分別為470元/支、125元/支。

7 h后兩種硅芯達到相同表面積，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。

假設方形硅芯生產一爐需100 h，產量為2300 kg，沉積速度23 kg/h；則圓形硅芯一爐用時107 h，產量2308.9 kg，沉積速度21.58 kg/h。按此數據計算，月運行相同時間600 h（設每爐運行100 h，每月開6爐），方形硅芯多產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致成本增加了：35406/ （2300×6）=2.57元/kg。

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

5　其他方向及展望

5.1方硅芯生產的其他方式

1）方硅芯是利用原料棒切割而成的，原料棒的“質量”相當關鍵，不允許存在裂紋等影響切割質量的缺陷，否則成品率會大幅下降。當今在沒有合適原料棒的條件下，只能利用單晶爐來生產原料棒，而這正是所耗成本最大的工序，耗時（每根棒耗時3天多）、耗材（石英坩堝、熱場）、成本高（平均每根原料棒綜合成本約1.5萬元）。

因此，直接在還原爐內生產致密、無裂紋的多晶硅棒作切割用原料棒，可進一步降低方硅芯的生產成本。同時，因避免了拉晶時坩堝、石墨熱場、保溫氈等的污染，自體切割獲得的方硅芯還可滿足更高純度等級產品的生產要求。

與普通多晶硅產品相比，這樣的多晶硅原料棒制備難度大，需要在設備、工藝等方面加以改進，摸索、優化得到適宜的生產條件。

2）用專門設計的類似于硅料鑄錠爐的爐子，采用定向凝固的方法生產方條型的硅芯母料。其特征在于硅芯母料本體形狀為長方體，期望重量可達500 kg以上［5］，產量高、能耗低，切割方硅芯時邊皮損耗小，可大幅降低方硅芯的制造成本。相關企業已采用該技術理論取得長足的研發成果并申請了專利。

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

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，從最初的細硅芯棒直至長成粗硅棒。沉積表面積越大，則沉積速度及實收率也越高，其關系符合線性上升的曲線。

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

空心管狀硅芯應是滿足上述要求的形態之一。國外某公司已完成實驗室研發，2016年有望推向市場。據有限資料顯示，管狀硅芯外徑約50 mm，壁厚約1～2 mm，長度滿足現有還原爐的要求，生產方式類似于單晶爐，坩堝可重復使用30～40次，產量可提高30%，電耗可降低15%，測試已做到50 h沉積至φ125 mm。該公司已可控開發一次拉一根及正在研發一次拉5根的管狀硅芯爐，商業模式是提供拉制管狀硅芯的設備，包括操作培訓等，并申請專利。

空心管狀硅芯理論上可大幅度降低成本和增加產率，但這取決于管狀硅芯的生產成本以進一步考核其性價比。另外，更粗的硅棒成品直徑及爐底盤上硅棒位置的改變，可能要變更相應的還原爐及底盤。其相應的圖片如圖1所示。

圖1　管狀硅芯研制過程

6　結束語

本文分析了方、圓硅芯的生產及使用的不同，并展望了管型硅芯形態及研發方向，具體還需從企業的實際出發。基本結論如下：

1）截面15 mm×15 mm的方硅芯表面積比φ8 mm的圓硅芯大，能節省還原爐前期運行約7 h，使還原爐運行周期相應縮短，沉積速度也相對提高（每爐運行周期內），每月每爐可提高約852 kg產量，但成本增加。因此，產品利潤大于41.56元/kg時，可盈利。

2）如操作人員對還原爐的技術控制尚未熟練，為保證硅芯安裝鉛垂面，降低倒爐風險，使用方硅芯具有一定的優勢。

3）市場疲軟，產品利潤處在保本邊緣，生產瓶頸不是還原爐數量緊缺時，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特點的原因，不能做到高阻。利用還原爐直接生產原料棒的方法理論上可行，但要探索最佳性價比的工藝及工業化驗證，而且此種方硅芯可做到高純，可用于電子級高阻多晶硅的生產。

5）管狀硅芯屬創新，表面積大，可大幅提高還原沉積速度和降低多晶硅產品的生產成本。但目前單根拉制的管狀硅芯成本高，制約了應用，必須研制出具有成本優勢的、可多根管狀硅芯同時拉制的設備。

［1］鄧豐， 唐正林. 多晶硅生產技術［M］. 北京: 化學工業出版社，2009.

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

［3］王新剛. 太陽能級多晶硅生產技術研究現狀及展望［J］.化學技術與開發， 2012， 41（9）: 27-33.

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

［5］孫勇.一種多晶硅的硅芯母料［P］.中國: 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、太陽能級多晶硅生產中非標設備及產品前、后處理方面的研究及開發。wangrongyue@gclsolarenergy.com