我國(guó)多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展
來(lái)源：淄博匯華閥業(yè)有限公司
2022年08月17日 08:36
一、概述
世界正從工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)過(guò)渡， 信息技術(shù)已成為促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)，信息化程度的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化水平的標(biāo)志。
微電子技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)， 集成電路又是微電子技術(shù)的核心， 一代又一代更為優(yōu)秀的集成電路的出現(xiàn)， 推進(jìn)著經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程，而半導(dǎo)體硅材料則是集成電路最重要的、不可替代的基礎(chǔ)功能材料， 多晶硅則是集成電路大廈的“基石” 或“糧食”。
二、多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)狀
1、我國(guó)多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)狀
我國(guó)多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年代中期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，70年代初曾一度盲目發(fā)展， 生產(chǎn)廠發(fā)展到20余家。生產(chǎn)工藝多采用傳統(tǒng)西門(mén)子法，由于技術(shù)水平低、生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量差、消耗指標(biāo)高環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本逐年增加等原因， 多數(shù)生產(chǎn)廠難以維持生產(chǎn)而停產(chǎn)或倒閉， 生產(chǎn)能力急劇， 與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場(chǎng)需求急驟增加極不協(xié)調(diào)。
目前國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)規(guī)模太小，產(chǎn)能不斷， 廠家分散， 工藝技術(shù)落后， 裝置陳舊， 消耗高， 環(huán)境污染嚴(yán)重， 生產(chǎn)十分艱難，1999年只生產(chǎn)了46t， 僅占世界產(chǎn)量的0．4％ ， 遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要。如不積極組建現(xiàn)代化的、符合經(jīng)濟(jì)規(guī)模的大多晶硅廠， 將制約我國(guó)生產(chǎn)符合集成電路和分離器件要求的高檔次的單晶硅和硅片。多晶硅對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。
2、國(guó)外多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)狀
多晶硅生產(chǎn)主要集中在美、日、德三國(guó)， 世界市場(chǎng)由7家公司占有， 1 998年多晶硅產(chǎn)量為16200t，其中德山曹達(dá)、黑姆洛克、瓦克三家公司占產(chǎn)量的63％ 。
目前生產(chǎn)的多晶硅能滿足集成電路及功率器件發(fā)展的技術(shù)要求， 用戶不經(jīng)腐蝕、清洗， 直接裝爐。多晶硅質(zhì)量指標(biāo)好， 產(chǎn)品穩(wěn)定， 多晶硅N型電阻率都在1000Q·cm以上。改良西門(mén)子法技術(shù)的完善與發(fā)展， 使原輔材料及能耗大為降低； 多晶硅生產(chǎn)的主要工序都應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制、設(shè)備裝備水平較高。
三、我國(guó)多晶硅市場(chǎng)需求
1、多晶硅嚴(yán)重短缺
在改革開(kāi)放形勢(shì)下， 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)是世界市場(chǎng)的一部分， 兩者有相同之處， 但也有差別。國(guó)內(nèi)集成電路的市場(chǎng)正是如此， 差別在于國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)需求增長(zhǎng)比國(guó)外更為迅速，1991年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量為6．5億塊， 1 996年增至67．8億塊， 五年間年平均增長(zhǎng)率達(dá)60％， 1999年12 塊， 年平均增長(zhǎng)率21％ 。
為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需要， 國(guó)內(nèi)單晶硅生產(chǎn)及市場(chǎng)銷(xiāo)售大幅度地增長(zhǎng)， 一改我國(guó)過(guò)去十幾年來(lái)的徘徊局面， 單晶硅產(chǎn)量從1991年的60．9t增加到1999年的215t， 9年增加154．1t， 年均增長(zhǎng)率達(dá)10．8％ ， 與此相適應(yīng)， 多晶硅需求量大幅度地增加。 需求的缺口較大，1995年一1999年進(jìn)口多晶硅的數(shù)量已大大超過(guò)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量。
2、2005年及201 0年市場(chǎng)及預(yù)測(cè)
為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外單晶硅市場(chǎng)的需要， 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)廠家相繼擴(kuò)產(chǎn)或新建生產(chǎn)線， 有的正在實(shí)施中，單晶硅的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量將會(huì)大幅度地增加， 但多晶硅供不應(yīng)求的局面仍將會(huì)持續(xù)下去。據(jù)，~U2005年國(guó)內(nèi)多晶硅年需求量約756t，201 0年國(guó)內(nèi)多晶硅需求量1 302t， 有較大的市場(chǎng)發(fā)展空間。
四、中國(guó)周邊她區(qū)多晶硅生產(chǎn)與需求
1、日本多晶硅生產(chǎn)與需求
約有30家硅片制造公司， 生產(chǎn)集中在美、日、德、韓等國(guó)家， 其中76％ 的控制在5家跨國(guó)公司手中。而日本的信越、住友、三菱、小松等公司的硅片之和在45％ 以上。日本多晶硅的消費(fèi)量約占世界總產(chǎn)量的50％ ， 除自產(chǎn)一部分外， 其余部分需從國(guó)外進(jìn)口。日本每年需進(jìn)口多晶硅2200t以上， 最多進(jìn)口達(dá)4850t／a， 每年進(jìn)口多晶硅量約占其用量的50％ 。
2、亞太地區(qū)多晶硅供需現(xiàn)狀
亞太地區(qū)包括韓國(guó)、馬來(lái)西亞、新加坡、印尼、中國(guó)的中國(guó)臺(tái)灣和香港， 生產(chǎn)硅片的廠家有PHC公司、Siltron公司、韓國(guó)電子公司、漢磊公司、Taisil公司、小松公司、三菱公司等等， 已具備6．4億平方英寸以上的硅片年生產(chǎn)能力， 每年需多晶硅2458t。根據(jù)各公司的擴(kuò)建計(jì)劃， 預(yù)計(jì)今后經(jīng)擴(kuò)建后硅片生產(chǎn)能力將可能新增5．8億平方英寸， 這樣每年需多晶硅將達(dá)~U4686t。該地區(qū)沒(méi)有多晶硅生產(chǎn)廠， 所需多晶硅全部依賴(lài)進(jìn)口。中國(guó)若有多晶硅出口， 將有良好的地理優(yōu)勢(shì)。
3、國(guó)際市場(chǎng)需求與發(fā)展
目前，多晶硅市場(chǎng)供大于求， 但隨著以計(jì)算機(jī)為核心、以網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒體的網(wǎng)絡(luò)新經(jīng)濟(jì)時(shí)代來(lái)臨， 以及新型清潔太陽(yáng)能的不斷發(fā)展， 世界半導(dǎo)體市場(chǎng)將以高速發(fā)展， 硅片需求旺盛。，多晶硅需求將以每年5％ 的速度增長(zhǎng)， 到2005年，多晶硅用量將達(dá)28600t， 目前年產(chǎn)22400t產(chǎn)能將滿足不了消費(fèi)要求。
五、我國(guó)多晶硅技術(shù)發(fā)展
1986年， 原中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司和各級(jí)政府， 在積極引進(jìn)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的前提下， 同時(shí)決定走自行研究開(kāi)發(fā)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的道路， 組織北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院與峨嵋半導(dǎo)體材料廠(所)共同研究開(kāi)發(fā)。為了從根本上解決多晶硅生產(chǎn)中物耗高、能耗高、成本高、污染嚴(yán)重及難實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)問(wèn)題， 研究開(kāi)發(fā)了“導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻技術(shù)、大型節(jié)能還原爐、SiCI4氫化和還原尾氣干法回收”等4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
1987年， 首先突破了導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻技術(shù)，為開(kāi)發(fā)大型節(jié)能還原爐創(chuàng)造了條件， 隨后多晶硅產(chǎn)品直徑 100mm的6對(duì)棒還原爐投產(chǎn)， 進(jìn)而導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻技術(shù)與大型節(jié)能還原爐配套投產(chǎn)， 使多晶硅產(chǎn)品的能耗大幅度降低， 多晶硅還原生產(chǎn)中80％一90％ 熱能可以得到回收。與此同時(shí)，SiCI 氫[wiki]化工[/wiki]業(yè)性試驗(yàn)取得成功。
1996年， 在引進(jìn)技術(shù)條件過(guò)于苛刻， 多年努力難以實(shí)現(xiàn)的條件下， 國(guó)家計(jì)委及原中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司支持， 由北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院與峨嵋半導(dǎo)體材料廠合作，用已取得的多晶硅生產(chǎn)技術(shù)成果， 利用峨嵋半導(dǎo)體材料廠現(xiàn)有條件， 建成一條1OOVa規(guī)模的多晶硅工業(yè)性生產(chǎn)示范線， 形成完整的改良西門(mén)子工藝系統(tǒng)。主要工藝過(guò)程包括Sil—Cl3合成、SiHCI 氫化、SiHCI3提純、SiHCl3還原、多晶硅后處理、還原爐尾氣干法回收等， 其特點(diǎn)為閉路循環(huán)系統(tǒng)， 全部回收各環(huán)節(jié)的尾氣， 全面解決了傳統(tǒng)西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅的過(guò)程中存在的物耗高、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。
核心技術(shù)有如下幾項(xiàng)：
(1)sich氫化
SiCI 氫化技術(shù)系統(tǒng)要求在較高溫度和壓力的條件下， 將SiCl 加H2轉(zhuǎn)化為SiHCI3， 由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)反應(yīng)器，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)平衡，確定工藝條件，編寫(xiě)操作規(guī)程， 指導(dǎo)施工試車(chē)， 最后實(shí)驗(yàn)得到在一定溫度和壓力條件下，SiCI 一次轉(zhuǎn)化率平均穩(wěn)定在25％ 以上。經(jīng)一年多的穩(wěn)定運(yùn)行， 證明系統(tǒng)是安全、可靠的， 系統(tǒng)指標(biāo)高于國(guó)外報(bào)導(dǎo)的一次轉(zhuǎn)化率1 5％
的水平， 次在1OOVa多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)中采用， 技術(shù)達(dá)到水平。
(2)還原爐尾氣干法回收
多晶硅還原尾氣中的H2、HCI、SiHCI3、SiCI4等成分， 經(jīng)加壓、冷卻到一定的條件后， 其中的SiHCI3、SiCI 被冷凝分離出來(lái)， 該混合物經(jīng)分離塔后分別得到SiHCI3~DSiCI 。SiHCI3直接送還原系統(tǒng)生產(chǎn)多晶硅，SiCI4j~_氫化工序， 經(jīng)氫化后轉(zhuǎn)化成Si-He 3， 再經(jīng)分離塔分離后得到SiHCI3， 也送還原工序生產(chǎn)多晶硅。壓縮、冷凝后的不凝氣體， 主要是H27DHCI， 在加壓低溫條件下， 通過(guò)特殊的分離工藝， 使H2、HC1分離出來(lái)， 無(wú)雜質(zhì)、無(wú)水分的純H ，返回還原工序重復(fù)利用， HCI送合成工序， 生產(chǎn)Si-HCI3。還原尾氣干法回收可使尾氣不接觸任何水份， 將其中的各種成份一一分開(kāi)， 不受污染地返回系統(tǒng)重復(fù)利用。
還原尾氣干法回收全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備， 是我國(guó)自行研究、設(shè)計(jì)的首套投入運(yùn)行的尾氣干法回收裝置， 其運(yùn)行證明， 還原過(guò)程產(chǎn)生的尾氣中各組分幾乎100％ 可以得到回收， 純H 消耗從傳統(tǒng)西門(mén)子工藝的~35m3／kg降至1．5m3／kg以下， 分離出的H2、HCI、氯硅烷等產(chǎn)品質(zhì)量滿足多晶硅生產(chǎn)要求， 全部返回系統(tǒng)使用， 且系統(tǒng)能夠適應(yīng)多晶硅生產(chǎn)能力的變化。
(3)導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻技術(shù)
還原爐中高溫硅棒表面向爐壁輻射的熱， 由還原爐夾套循環(huán)的導(dǎo)熱油帶出來(lái)， 高溫?zé)嵊徒?jīng)不同途徑釋放熱能后，再回到還原爐夾套， 循環(huán)往復(fù)， 可回收還原過(guò)程80％-90％ 以上的副產(chǎn)熱能，保證了硅棒產(chǎn)品直徑誤差不超過(guò)數(shù)毫米。由9對(duì)棒大直徑還原爐與導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)，使多晶硅產(chǎn)品直接電耗由傳統(tǒng)西門(mén)子工藝的450kW h一500kW h／kg·Si降_~250kW h／kg·Si以下。
(4)大型節(jié)能還原爐
9對(duì)棒大型節(jié)電還原爐生產(chǎn)多晶硅直徑可達(dá)巾1 1 5mm， 生產(chǎn)區(qū)熔用多晶棒直徑可控制在巾70mm～80mm， 硅芯長(zhǎng)度1．5m， 單臺(tái)年產(chǎn)量分別為23t及1 5t，是的還原爐， 白， 基本符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。
以上技術(shù)， 于2000年元月通過(guò)國(guó)家有關(guān)部門(mén)組織的專(zhuān)家鑒定、驗(yàn)收。專(zhuān)家認(rèn)為， 1OOUa多晶硅實(shí)驗(yàn)示范線的建成， 標(biāo)志著我國(guó)擁有了多晶硅生產(chǎn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 建設(shè)千噸級(jí)多晶硅廠就擁有了主動(dòng)權(quán)， 從1O00Va多晶硅項(xiàng)目建設(shè)前期工作開(kāi)始，直至項(xiàng)目投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)，都可根據(jù)我們自己的條件安排。由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)為自己所有， 所以投資、效益、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力等方面將會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，1O00Ua多晶硅的產(chǎn)業(yè)化， 不是1OOU簡(jiǎn)單翻10倍的關(guān)系， 有許多技術(shù)難題要進(jìn)一步突破，在系統(tǒng)平衡、設(shè)備選擇、試車(chē)、投產(chǎn)、計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)化管理、市場(chǎng)開(kāi)拓等方面有大量細(xì)致的工作要做， 是更高層次的技術(shù)創(chuàng)新， 是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的集中體現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)研究院與業(yè)主在新的起點(diǎn)上共同攻關(guān)完成。經(jīng)過(guò)1OOt／a多晶硅的工業(yè)化試驗(yàn)研究， 我國(guó)已掌握改良西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)技術(shù)， 在此基礎(chǔ)上，如能局部引進(jìn)國(guó)外的*技術(shù)和設(shè)備， 合作或合資建設(shè)一條至兩條千噸級(jí)以上的多晶硅生產(chǎn)線， 滿足市場(chǎng)需求， 將為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)，從根本上改變我國(guó)硅片生產(chǎn)用多晶硅原料長(zhǎng)期依賴(lài)于人的局面。
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