多晶硅还原炉用方、圆硅芯性价分析及展望

■ 王荣跃马军

江苏中能硅业科技发展有限公司

多晶硅还原炉用方、圆硅芯性价分析及展望

■ 王荣跃*马军

江苏中能硅业科技发展有限公司

本文对方形、圆形硅芯的制造成本、使用特点、可能的其他形态，以及其在多晶硅生产中的性价成本等方面作了较为透彻的评析及展望。

方、圆硅芯；制造成本；使用性价比；多晶硅生产

0　引言

西门子法生产棒状多晶硅，其原理是把经过高纯处理的，具有一定温度、压力和配比的氢气和三氯氢硅通入密闭的还原炉内，在电加热（1080℃左右）的载体硅芯表面被连续还原而沉积制得（生长）多晶硅［1］。随着反应时间的增长，载体表面沉积量越来越多，使较细直径的硅芯逐渐变粗为硅棒。当硅棒生长至合适的直径后停炉，拆炉收获。

载体材料的发展可分为3个阶段［2］：

第一阶段采用的是钼丝或钽管。虽简单方便，但成品硅棒长成后只能采用敲击去除原始钼丝或钽管，而且在高温下金属原子的扩散严重影响多晶硅的纯度和品质，这一工艺很快被硅芯热载体取代。

第二阶段是区熔法硅芯炉拉制圆硅芯。借助多晶硅半导体随温度升高电阻降低的负阻效应，硅芯在加热或高压击穿的条件下成为热载体后在还原炉内进行CVD生长多晶硅，生产的多晶硅质量明显提高。硅芯拉制几经变革，从单次单拉一根到一炉次拉制数次及数根，效率大幅提高。

第三阶段是线切割方形硅芯。

硅棒的沉积速度与载体的表面积相关。一炉硅棒生长期里，载体的表面积从初始的硅芯表面积开始，随着反应时间增加，沉积出的硅棒越来越粗，载体表面积越来越大，反应气体对沉积面碰撞机会也越多，沉积速度也随之变大，因而收率越来越高。

原始载体硅芯的长度由还原炉钟罩的高度而定，等高的方、圆硅芯由于截面形状不同而表面积不同（如方形硅芯边长与圆形硅芯直径相同的条件下），因而出现了沉积表面积的差异，从而影响硅棒的沉积速率及每炉次硅棒的生长周期。但方形及圆形硅芯的生产方法不同，其生产装备及其他的成本构成也不同；同时，不同截面形状的硅芯在使用中也存在不同的特点。

我国多晶硅企业主要采用西门子法生产棒状硅产品，生产中需要大量的硅芯。目前，受欧美贸易摩擦影响，硅价下行，国产多晶硅利润压缩甚至亏损，故硅芯在产品硅中的成本份额不可忽视［3］。本文根据多晶硅生产的实际，就硅芯的制备方式、生产成本、使用特性、经济性价及今后硅芯生产方式、截面形状、研制方向等作了评析及展望。

1　硅芯的生产方式

圆硅芯由专门的硅芯炉利用硅芯母料拉制；方硅芯由单晶炉先把硅块制成原料棒（致密无裂纹原料）再线切而成（致密而无裂纹的原料棒目前还没有其他方式可获得）。故现有2种硅芯的生产，均属同类设备密集的人控单机操作模式，洁净厂房内操作，员工多，炉子全天侯间歇开停炉，公用条件相似，设备及厂房投资大，因此其生产成本测算相对容易。

1.1硅芯炉拉制圆硅芯

区熔基座法拉制硅芯，目前已发展到5头或7头炉，即同时拉制5～7根，一次装母料可拉制3次的工业化操作模式；效率高，操作稳定；每个员工可同时操作2～3台，每台硅芯炉24 h可产出约30根的合格硅芯。这种国产化的炉型开发成功后，迅速被国内外多家多晶硅企业应用，在支撑西门子法多晶硅的规模化生产方面发挥了重要作用。

硅芯拉制对员工的综合素质要求高，操作强度较大。圆硅芯规格一般为φ8 mm，长度为2400～2800 mm，拉制合格率为95%以上。但由于圆硅芯拉制主要靠熔区温度及功率控制直径制得，硅芯形位尺寸没有线切方硅芯好；使用中在石墨卡瓣上不完全面状接触，夹持效果不如方切硅芯，易在还原初始时产生晃动，故对硅芯安装技术要求较高。

1.2线切割方硅芯

线切割方硅芯概念和装备由国外引进，国内多晶硅企业在2007年前后引进了梅耶博格的方硅芯专用切割机。此方法成品率及效率高，操作人员少。但缺点是割缝损耗及耗品成本大，随着多线切割及耗品国产化，综合成本虽大幅下降，但与硅芯拉制相比仍较高。

线切方硅芯尽管成本高，但具有相对表面积大、规格统一、直线度好的优点，且使用中还存在一些潜在优点，如夹持力大、铅垂面容易保证等［4］。国内使用方硅芯的企业有江苏中能、陕西天宏、LDK（部分使用）等厂家，基于成本考虑，不少西门子工艺多晶硅生产厂（包含韩国OCI）仍使用圆形拉制硅芯。

2　硅芯的生产成本

2.1圆硅芯生产成本

众所周知，为检验及监测多晶硅质量，企业必须按生产线为单位专门生产检验料。检验料与产品料的进料工艺不同，为产出能 “掏料”的致密硅棒，其成本要高于产品料。但将“检验料”与“硅芯母料”合为一体，这样既能机械掏出用作基磷、基硼区熔检验的检验棒，又可当作“母料”去拉制硅芯。

这里需考虑一个因素：每条生产线即便不生产“硅芯母料”，也必须生产与“硅芯母料”同质的“检验料”（高电耗），为覆盖多晶硅生产周期而生产的“检验料”所拉制的硅芯足够提供本条线的硅芯使用。所以，专门生产高电耗、高成本的“硅芯母料”之说有待商榷。

计算硅芯母料的成本，可以利用与多晶硅产品料成本增加值对比计算。母料成本比多晶硅产品料成本增加的部分主要是还原电耗增量。

如按2015年上半年国内多晶硅厂家产品料平均生产成本90元/kg、还原电耗50 kWh/kg、硅芯母料或检验料的还原电耗115 kWh/kg，硅料市价120元/kg，电价0.5元/kWh，考虑圆硅芯拉制装置的生产、制造运行成本（原辅料、低值易耗、动力消耗、厂房及设备折旧、拉制及辅助人力），并计入生产硅芯母料而损失的机会成本等，规模生产每支圆硅芯的生产综合成本约为125元/支。

2.2方硅芯生产成本

目前方硅芯一般是通过单晶炉先把原生多晶硅块熔化后拉制成切割方硅芯所需的原料棒，即致密的多晶硅圆棒，直径在180～210 mm，长度与所需成品硅芯匹配，之后采用专门的切割机线切割，把硅芯原料棒剖切成方形硅芯。行业常用的方硅芯规格是：口为15 mm×15 mm，长度为2400 mm。

方硅芯生产装置配置大量的单晶炉、线切割机，其辅助配套与圆硅芯制备装置相似，如机加工、腐蚀清洗、高纯水、三废（液、固、气）处理、电力、水系管道等。

如按市价120元/kg的硅料为原料，考虑方硅芯制备装置的生产、制造运行成本（原热场等辅料、石英坩埚等低值易耗、电力氩气等消耗、厂房设备等折旧、拉制及辅助人力）等方面，规模生产下每支方硅芯的生产综合成本约为400～500元/支。

3　抗倒伏能力分析

众所周知，圆硅芯直径控制是靠拉速和温度调节来达到的，尺寸公差较大，装硅芯时因粗细不匀，在卡瓣中为点接触，所以不容易装垂直，导致硅棒长粗后承重偏心而引起倒炉。另外，圆硅芯搭桥横梁搁放在开槽中，接触面小，高压击穿和大气流时容易跌落产生倒炉。而方硅芯截面积大、强度高、承载能力大，尺寸标准，卡瓣装夹垂直度容易保证，搭桥用圆锥榫连接可靠，使还原炉倒炉率大幅下降。从理论和实际考虑，方硅芯的抗倒伏能力确实存在优势。但圆硅芯的不足之处可通过精准的安装及启炉工艺的优化来克服，国内已有不少厂家可做到使用圆硅芯装炉硅芯无倒伏。

4　方、圆硅芯的使用效益测算

4.1方、圆硅芯的几何尺寸对比

设圆硅芯尺寸为φ8 mm×2400 mm，方硅芯尺寸为15 mm×15 mm×2400 mm.

则方形硅芯的表面积是圆形硅芯的15×4/ （3.14×8）=2.39倍。

若圆形硅芯要达到方形硅芯的表面积，圆形硅芯的直径需要达到15×4/3.14=19.1 mm。

4.2方硅芯与圆硅芯相比的优劣势

按照还原炉前期硅芯平均生长速度1.6 mm/h的直径增量经验数据可知，达到直径19.1 mm需要炉子运行将近7 h。即φ8 mm硅芯生长7 h后，将达到与方硅芯相同的表面积，然后其会具有与方硅芯相同的沉积速度，生长状态完全相同。也就是说，方硅芯比圆硅芯少运行了圆硅芯前期的7 h。但由于正常情况下都是当硅棒生长到需要的直径后才停炉，所以方硅芯在炉单产方面没有优势。

4.3使用经济性分析

方硅芯相比圆硅芯少运行了7 h，这7 h（φ8 mm长粗至φ19.1 mm）设平均功率为470 kW/h，总耗电量为3292 kWh，每炉用硅芯26支（12对棒，包括横梁），根据直径增量计算产量为34.2 kg（φ8 mm长粗至φ19.1 mm）。这7 h的平均公斤电耗为96.3 kWh/kg。

通过电耗对比多晶硅产品成本（90元/ kg）计算得出前7 h生产成本为：90 +（96.3-50）×0.5=113.2元/kg。

每炉前7 h生产成本为113.2×34.2=3871.4元。

设方硅芯、圆硅芯的去税价分别为470元/支、125元/支。

7 h后两种硅芯达到相同表面积，但圆硅芯较方硅芯重量多了8.9 kg，即（0.25×3.14×0.01912-0.0152）×2.4×2.33×26，按多晶硅生产成本（90元/kg）扣除这8.92 kg的成本，得出采用方硅芯后每炉成本增加为：

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

假设方形硅芯生产一炉需100 h，产量为2300 kg，沉积速度23 kg/h；则圆形硅芯一炉用时107 h，产量2308.9 kg，沉积速度21.58 kg/h。按此数据计算，月运行相同时间600 h（设每炉运行100 h，每月开6炉），方形硅芯多产600×（23-21.58）=852 kg，但是成本增加6×5901=35406元/月，即由于使用方硅芯导致成本增加了：35406/ （2300×6）=2.57元/kg。

用方硅芯多产出的852 kg硅料除以新增方硅芯的成本，可得出新增产量的成本增加了41.56元/kg，即35406/852=41.56元/kg。故只有多晶硅的利润等于或超过这一数值时，才能保本或盈利，也就是说，提高的产量才能弥补使用方硅芯所带来的成本提高。

5　其他方向及展望

5.1方硅芯生产的其他方式

1）方硅芯是利用原料棒切割而成的，原料棒的“质量”相当关键，不允许存在裂纹等影响切割质量的缺陷，否则成品率会大幅下降。当今在没有合适原料棒的条件下，只能利用单晶炉来生产原料棒，而这正是所耗成本最大的工序，耗时（每根棒耗时3天多）、耗材（石英坩埚、热场）、成本高（平均每根原料棒综合成本约1.5万元）。

因此，直接在还原炉内生产致密、无裂纹的多晶硅棒作切割用原料棒，可进一步降低方硅芯的生产成本。同时，因避免了拉晶时坩埚、石墨热场、保温毡等的污染，自体切割获得的方硅芯还可满足更高纯度等级产品的生产要求。

与普通多晶硅产品相比，这样的多晶硅原料棒制备难度大，需要在设备、工艺等方面加以改进，摸索、优化得到适宜的生产条件。

2）用专门设计的类似于硅料铸锭炉的炉子，采用定向凝固的方法生产方条型的硅芯母料。其特征在于硅芯母料本体形状为长方体，期望重量可达500 kg以上［5］，产量高、能耗低，切割方硅芯时边皮损耗小，可大幅降低方硅芯的制造成本。相关企业已采用该技术理论取得长足的研发成果并申请了专利。

但铸制硅锭的方式要做到导电型号头尾一致及体量电阻率均匀，甚至能做到高阻，还需优化和完善。

5.2大表面积的管状硅芯

硅在还原炉载体硅芯的表面沉积，表面积逐渐增大，从最初的细硅芯棒直至长成粗硅棒。沉积表面积越大，则沉积速度及实收率也越高，其关系符合线性上升的曲线。

为达到较大的沉积速度，绕开沉积速度很小的初始阶段，其最简单的方法就是增大“硅芯”的直径，让硅棒一开始就在表面积较大的“硅芯”表面生长。

空心管状硅芯应是满足上述要求的形态之一。国外某公司已完成实验室研发，2016年有望推向市场。据有限资料显示，管状硅芯外径约50 mm，壁厚约1～2 mm，长度满足现有还原炉的要求，生产方式类似于单晶炉，坩埚可重复使用30～40次，产量可提高30%，电耗可降低15%，测试已做到50 h沉积至φ125 mm。该公司已可控开发一次拉一根及正在研发一次拉5根的管状硅芯炉，商业模式是提供拉制管状硅芯的设备，包括操作培训等，并申请专利。

空心管状硅芯理论上可大幅度降低成本和增加产率，但这取决于管状硅芯的生产成本以进一步考核其性价比。另外，更粗的硅棒成品直径及炉底盘上硅棒位置的改变，可能要变更相应的还原炉及底盘。其相应的图片如图1所示。

图1　管状硅芯研制过程

6　结束语

本文分析了方、圆硅芯的生产及使用的不同，并展望了管型硅芯形态及研发方向，具体还需从企业的实际出发。基本结论如下：

1）截面15 mm×15 mm的方硅芯表面积比φ8 mm的圆硅芯大，能节省还原炉前期运行约7 h，使还原炉运行周期相应缩短，沉积速度也相对提高（每炉运行周期内），每月每炉可提高约852 kg产量，但成本增加。因此，产品利润大于41.56元/kg时，可盈利。

2）如操作人员对还原炉的技术控制尚未熟练，为保证硅芯安装铅垂面，降低倒炉风险，使用方硅芯具有一定的优势。

3）市场疲软，产品利润处在保本边缘，生产瓶颈不是还原炉数量紧缺时，使用方硅芯而增加成本的情况不可忽视。

4）由于方硅芯原料棒生产特点的原因，不能做到高阻。利用还原炉直接生产原料棒的方法理论上可行，但要探索最佳性价比的工艺及工业化验证，而且此种方硅芯可做到高纯，可用于电子级高阻多晶硅的生产。

5）管状硅芯属创新，表面积大，可大幅提高还原沉积速度和降低多晶硅产品的生产成本。但目前单根拉制的管状硅芯成本高，制约了应用，必须研制出具有成本优势的、可多根管状硅芯同时拉制的设备。

［1］邓丰， 唐正林. 多晶硅生产技术［M］. 北京: 化学工业出版社，2009.

［2］黄开金， 平述煌. 影响多晶硅生产电耗的因素及控制措施［J］.氯碱化工， 2015， 51（4）: 26-29.

［3］王新刚. 太阳能级多晶硅生产技术研究现状及展望［J］.化学技术与开发， 2012， 41（9）: 27-33.

［4］吕维基， 李春振. 切割法生产硅芯电学性能的控制［J］.中国科技博览， 2014， （28）: 67-68.

［5］孙勇.一种多晶硅的硅芯母料［P］.中国: CN201320083449.X，2013-08-14.

2015-07-09

王荣跃 （1958—），男，本科、工程师，主要从事电子级、太阳能级多晶硅生产中非标设备及产品前、后处理方面的研究及开发。wangrongyue@gclsolarenergy.com