我國多晶硅生產現狀與發展
來源：淄博匯華閥業有限公司
2022年08月17日 08:36
一、概述
世界正從工業社會向信息社會過渡， 信息技術已成為促進社會發展和進步的關鍵技術，信息化程度的高低已成為衡量一個國家現代化水平的標志。
微電子技術是信息技術的基礎和關鍵技術， 集成電路又是微電子技術的核心， 一代又一代更為優秀的集成電路的出現， 推進著經濟一體化的進程，而半導體硅材料則是集成電路最重要的、不可替代的基礎功能材料， 多晶硅則是集成電路大廈的“基石” 或“糧食”。
二、多晶硅生產現狀
1、我國多晶硅生產現狀
我國多晶硅工業起步于50年代，60年代中期實現工業化生產，70年代初曾一度盲目發展， 生產廠發展到20余家。生產工藝多采用傳統西門子法，由于技術水平低、生產規模小、產品質量差、消耗指標高環境污染嚴重、生產成本逐年增加等原因， 多數生產廠難以維持生產而停產或倒閉， 生產能力急劇， 與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急驟增加極不協調。
目前國內多晶硅生產規模太小，產能不斷， 廠家分散， 工藝技術落后， 裝置陳舊， 消耗高， 環境污染嚴重， 生產十分艱難，1999年只生產了46t， 僅占世界產量的0．4％ ， 遠不能滿足國內市場的需要。如不積極組建現代化的、符合經濟規模的大多晶硅廠， 將制約我國生產符合集成電路和分離器件要求的高檔次的單晶硅和硅片。多晶硅對我國半導體工業的發展至關重要。
2、國外多晶硅生產現狀
多晶硅生產主要集中在美、日、德三國， 世界市場由7家公司占有， 1 998年多晶硅產量為16200t，其中德山曹達、黑姆洛克、瓦克三家公司占產量的63％ 。
目前生產的多晶硅能滿足集成電路及功率器件發展的技術要求， 用戶不經腐蝕、清洗， 直接裝爐。多晶硅質量指標好， 產品穩定， 多晶硅N型電阻率都在1000Q·cm以上。改良西門子法技術的完善與發展， 使原輔材料及能耗大為降低； 多晶硅生產的主要工序都應用計算機控制、設備裝備水平較高。
三、我國多晶硅市場需求
1、多晶硅嚴重短缺
在改革開放形勢下， 國內市場是世界市場的一部分， 兩者有相同之處， 但也有差別。國內集成電路的市場正是如此， 差別在于國內集成電路市場需求增長比國外更為迅速，1991年國內市場需求量為6．5億塊， 1 996年增至67．8億塊， 五年間年平均增長率達60％， 1999年12 塊， 年平均增長率21％ 。
為適應國內外市場的需要， 國內單晶硅生產及市場銷售大幅度地增長， 一改我國過去十幾年來的徘徊局面， 單晶硅產量從1991年的60．9t增加到1999年的215t， 9年增加154．1t， 年均增長率達10．8％ ， 與此相適應， 多晶硅需求量大幅度地增加。 需求的缺口較大，1995年一1999年進口多晶硅的數量已大大超過國內生產量。
2、2005年及201 0年市場及預測
為適應國內外單晶硅市場的需要， 近年來， 國內廠家相繼擴產或新建生產線， 有的正在實施中，單晶硅的生產能力和產量將會大幅度地增加， 但多晶硅供不應求的局面仍將會持續下去。據，~U2005年國內多晶硅年需求量約756t，201 0年國內多晶硅需求量1 302t， 有較大的市場發展空間。
四、中國周邊她區多晶硅生產與需求
1、日本多晶硅生產與需求
約有30家硅片制造公司， 生產集中在美、日、德、韓等國家， 其中76％ 的控制在5家跨國公司手中。而日本的信越、住友、三菱、小松等公司的硅片之和在45％ 以上。日本多晶硅的消費量約占世界總產量的50％ ， 除自產一部分外， 其余部分需從國外進口。日本每年需進口多晶硅2200t以上， 最多進口達4850t／a， 每年進口多晶硅量約占其用量的50％ 。
2、亞太地區多晶硅供需現狀
亞太地區包括韓國、馬來西亞、新加坡、印尼、中國的中國臺灣和香港， 生產硅片的廠家有PHC公司、Siltron公司、韓國電子公司、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能力， 每年需多晶硅2458t。根據各公司的擴建計劃， 預計今后經擴建后硅片生產能力將可能新增5．8億平方英寸， 這樣每年需多晶硅將達~U4686t。該地區沒有多晶硅生產廠， 所需多晶硅全部依賴進口。中國若有多晶硅出口， 將有良好的地理優勢。
3、國際市場需求與發展
目前，多晶硅市場供大于求， 但隨著以計算機為核心、以網絡為傳輸媒體的網絡新經濟時代來臨， 以及新型清潔太陽能的不斷發展， 世界半導體市場將以高速發展， 硅片需求旺盛。，多晶硅需求將以每年5％ 的速度增長， 到2005年，多晶硅用量將達28600t， 目前年產22400t產能將滿足不了消費要求。
五、我國多晶硅技術發展
1986年， 原中國有色金屬工業總公司和各級政府， 在積極引進多晶硅生產技術的前提下， 同時決定走自行研究開發多晶硅生產技術的道路， 組織北京有色冶金設計研究總院與峨嵋半導體材料廠(所)共同研究開發。為了從根本上解決多晶硅生產中物耗高、能耗高、成本高、污染嚴重及難實現規模生產問題， 研究開發了“導熱油循環冷卻技術、大型節能還原爐、SiCI4氫化和還原尾氣干法回收”等4項關鍵技術。
1987年， 首先突破了導熱油循環冷卻技術，為開發大型節能還原爐創造了條件， 隨后多晶硅產品直徑 100mm的6對棒還原爐投產， 進而導熱油循環冷卻技術與大型節能還原爐配套投產， 使多晶硅產品的能耗大幅度降低， 多晶硅還原生產中80％一90％ 熱能可以得到回收。與此同時，SiCI 氫[wiki]化工[/wiki]業性試驗取得成功。
1996年， 在引進技術條件過于苛刻， 多年努力難以實現的條件下， 國家計委及原中國有色金屬工業總公司支持， 由北京有色冶金設計研究總院與峨嵋半導體材料廠合作，用已取得的多晶硅生產技術成果， 利用峨嵋半導體材料廠現有條件， 建成一條1OOVa規模的多晶硅工業性生產示范線， 形成完整的改良西門子工藝系統。主要工藝過程包括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， 其特點為閉路循環系統， 全部回收各環節的尾氣， 全面解決了傳統西門子法生產多晶硅的過程中存在的物耗高、能耗高、環境污染嚴重等問題。
核心技術有如下幾項：
(1)sich氫化
SiCI 氫化技術系統要求在較高溫度和壓力的條件下， 將SiCl 加H2轉化為SiHCI3， 由設計院設計反應器，計算整個系統平衡，確定工藝條件，編寫操作規程， 指導施工試車， 最后實驗得到在一定溫度和壓力條件下，SiCI 一次轉化率平均穩定在25％ 以上。經一年多的穩定運行， 證明系統是安全、可靠的， 系統指標高于國外報導的一次轉化率1 5％
的水平， 次在1OOVa多晶硅生產系統中采用， 技術達到水平。
(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， 經加壓、冷卻到一定的條件后， 其中的SiHCI3、SiCI 被冷凝分離出來， 該混合物經分離塔后分別得到SiHCI3~DSiCI 。SiHCI3直接送還原系統生產多晶硅，SiCI4j~_氫化工序， 經氫化后轉化成Si-He 3， 再經分離塔分離后得到SiHCI3， 也送還原工序生產多晶硅。壓縮、冷凝后的不凝氣體， 主要是H27DHCI， 在加壓低溫條件下， 通過特殊的分離工藝， 使H2、HC1分離出來， 無雜質、無水分的純H ，返回還原工序重復利用， HCI送合成工序， 生產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， 不受污染地返回系統重復利用。
還原尾氣干法回收全部采用國產設備， 是我國自行研究、設計的首套投入運行的尾氣干法回收裝置， 其運行證明， 還原過程產生的尾氣中各組分幾乎100％ 可以得到回收， 純H 消耗從傳統西門子工藝的~35m3／kg降至1．5m3／kg以下， 分離出的H2、HCI、氯硅烷等產品質量滿足多晶硅生產要求， 全部返回系統使用， 且系統能夠適應多晶硅生產能力的變化。
(3)導熱油循環冷卻技術
還原爐中高溫硅棒表面向爐壁輻射的熱， 由還原爐夾套循環的導熱油帶出來， 高溫熱油經不同途徑釋放熱能后，再回到還原爐夾套， 循環往復， 可回收還原過程80％-90％ 以上的副產熱能，保證了硅棒產品直徑誤差不超過數毫米。由9對棒大直徑還原爐與導熱油循環冷卻技術構成的系統，使多晶硅產品直接電耗由傳統西門子工藝的450kW h一500kW h／kg·Si降_~250kW h／kg·Si以下。
(4)大型節能還原爐
9對棒大型節電還原爐生產多晶硅直徑可達巾1 1 5mm， 生產區熔用多晶棒直徑可控制在巾70mm～80mm， 硅芯長度1．5m， 單臺年產量分別為23t及1 5t，是的還原爐， 白， 基本符合大規模生產的要求。
以上技術， 于2000年元月通過國家有關部門組織的專家鑒定、驗收。專家認為， 1OOUa多晶硅實驗示范線的建成， 標志著我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權， 建設千噸級多晶硅廠就擁有了主動權， 從1O00Va多晶硅項目建設前期工作開始，直至項目投產、達產，都可根據我們自己的條件安排。由于知識產權為自己所有， 所以投資、效益、產品競爭能力等方面將會有更大的優勢。當然，1O00Ua多晶硅的產業化， 不是1OOU簡單翻10倍的關系， 有許多技術難題要進一步突破，在系統平衡、設備選擇、試車、投產、計算機控制、網絡化管理、市場開拓等方面有大量細致的工作要做， 是更高層次的技術創新， 是科學技術轉化為生產力的集中體現，需要設計研究院與業主在新的起點上共同攻關完成。經過1OOt／a多晶硅的工業化試驗研究， 我國已掌握改良西門子法多晶硅生產技術， 在此基礎上，如能局部引進國外的*技術和設備， 合作或合資建設一條至兩條千噸級以上的多晶硅生產線， 滿足市場需求， 將為我國信息產業的發展打下良好的基礎，從根本上改變我國硅片生產用多晶硅原料長期依賴于人的局面。
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