我國多晶硅生產現狀與發展
發布時間：2011-08-4
一、概(gai)述
世界(jie)正(zheng)從(cong)工業社會向信(xin)息社會過渡(du)， 信(xin)息技術已成為(wei)(wei)促(cu)進社會發展和進步的關鍵技術，信(xin)息化程度的高低已成為(wei)(wei)衡量一個(ge)國(guo)家現代(dai)化水平的標志。
微(wei)電(dian)子技術(shu)是信息技術(shu)的基(ji)礎和(he)關鍵技術(shu)， 集成電(dian)路又是微(wei)電(dian)子技術(shu)的核心， 一(yi)代又一(yi)代更(geng)為(wei)優(you)秀的集成電(dian)路的出現(xian)， 推進(jin)著全球經濟一(yi)體化的進(jin)程，而半導體硅材料則是集成電(dian)路最重(zhong)要(yao)的、不可替代的基(ji)礎功能材料， 多晶硅則是集成電(dian)路大廈的“基(ji)石” 或“糧食(shi)”。
二(er)、多晶硅(gui)生(sheng)產現狀
1、我(wo)國多晶硅生產現狀
我國多晶硅工(gong)業起步于50年代，60年代中期實現工(gong)業化(hua)生(sheng)產(chan)(chan)，70年代初曾(ceng)一(yi)度盲目(mu)發(fa)展， 生(sheng)產(chan)(chan)廠(chang)發(fa)展到20余家。生(sheng)產(chan)(chan)工(gong)藝多采用傳(chuan)統西門子法，由于技術水(shui)平低、生(sheng)產(chan)(chan)規模小、產(chan)(chan)品質量差、消耗指標(biao)高環境污染嚴(yan)重、生產成(cheng)本(ben)逐年增加等原(yuan)因， 多(duo)(duo)數生產廠難以維(wei)持生產而停產或(huo)倒閉， 生產能(neng)力急(ji)劇萎縮， 與當今信息產業的高速發(fa)展(zhan)和多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)的市場(chang)需求急(ji)驟增加極(ji)不協調。
目前國內多晶硅生產規模太小，產能不斷萎縮， 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(jing)硅對我國半導體工業的發展至關重要。
2、國外多(duo)晶硅生產現狀
多(duo)晶(jing)硅生產主要集中在美、日、德三國， 世界市場(chang)由7家(jia)(jia)公(gong)司(si)占(zhan)有， 1 998年多(duo)晶(jing)硅產量(liang)為16200t，其中德山曹(cao)達、黑姆洛克(ke)、瓦(wa)克(ke)三家(jia)(jia)公(gong)司(si)占(zhan)產量(liang)的63％ 。
目(mu)前生產(chan)的(de)多晶硅能滿足集成電路及(ji)功(gong)率器件(jian)發展的(de)技(ji)術(shu)要求， 用戶不經腐蝕、清洗， 直(zhi)接裝爐。多(duo)晶(jing)硅質量(liang)指標好(hao)， 產品(pin)穩(wen)定(ding)， 多(duo)晶(jing)硅N型電阻率都(dou)在1000Q·cm以上。改良西(xi)門(men)子法技(ji)術的完善(shan)與發展， 使(shi)原(yuan)輔材料及能耗大為降低； 多(duo)晶(jing)硅生產的主要工序都(dou)應(ying)用計算機控制(zhi)、設備裝備水平(ping)較高。
三(san)、我國多晶硅市場需求(qiu)
1、多晶硅嚴重短缺
在(zai)(zai)改革開放形勢(shi)下， 國(guo)(guo)內市(shi)場是世界市(shi)場的一部分， 兩者有相同之處， 但也有差(cha)別。國(guo)(guo)內集(ji)成電路的市(shi)場正是如此， 差(cha)別在(zai)(zai)于(yu)國(guo)(guo)內集(ji)成電路市(shi)場需求增(zeng)長比(bi)國(guo)(guo)外(wai)更(geng)為迅速，1991年國(guo)(guo)內市(shi)場需求量為6．5億塊， 1 996年增(zeng)至67．8億塊， 五年間年平(ping)均增(zeng)長率(lv)(lv)達60％， 1999年12 塊， 年平(ping)均增(zeng)長率(lv)(lv)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(que)口較大，1995年一1999年進口多晶(jing)硅的數量已大大超過(guo)國(guo)內生產量。
2、2005年(nian)及201 0年(nian)市場及預測
為(wei)適應國(guo)內(nei)(nei)外單晶(jing)(jing)(jing)硅市場(chang)(chang)的(de)(de)需(xu)要， 近(jin)年(nian)來， 國(guo)內(nei)(nei)廠家(jia)相(xiang)繼擴產或新建生產線， 有(you)的(de)(de)正(zheng)在實施中，單晶(jing)(jing)(jing)硅的(de)(de)生產能(neng)力和(he)產量將會(hui)大幅度地增(zeng)加(jia)， 但(dan)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅供(gong)不應求(qiu)的(de)(de)局面(mian)仍(reng)將會(hui)持續下去(qu)。據(ju)專家(jia)預測，~U2005年(nian)國(guo)內(nei)(nei)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅年(nian)需(xu)求(qiu)量約(yue)756t，201 0年(nian)國(guo)內(nei)(nei)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅需(xu)求(qiu)量1 302t， 有(you)較(jiao)大的(de)(de)市場(chang)(chang)發(fa)展空間。
四、中國周邊她區多晶硅(gui)生(sheng)產與需求
1、日本多晶(jing)硅(gui)生產與需求
全世界約有30家硅片制造公司， 生產集中在美、日、德、韓等國家， 其中76％ 的市場份額控制在5家跨國公司手中。而日本的信越、住友、三菱、小松等公司的硅片市場占有率之和在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(ri)本每(mei)年需(xu)進口多晶硅(gui)2200t以上， 最多進口達4850t／a， 每(mei)年進口多晶硅(gui)量約占其用量的(de)50％ 。
2、亞太地區多晶硅(gui)供需(xu)現(xian)狀
亞太地(di)(di)區包(bao)括韓國、馬來西亞、新加坡(po)、印(yin)尼、中國的(de)臺灣和香(xiang)港(gang)， 生產硅(gui)片的(de)廠(chang)(chang)家(jia)有(you)PHC公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、Siltron公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、韓國電子公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、漢磊公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、Taisil公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、小松(song)公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)、三菱(ling)公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)等(deng)等(deng)， 已具備6．4億(yi)平(ping)方英寸以上的(de)硅(gui)片年生產能力， 每年需(xu)(xu)多(duo)晶(jing)硅(gui)2458t。根據各公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)的(de)擴建計劃(hua)， 預(yu)計今后(hou)經擴建后(hou)硅(gui)片生產能力將(jiang)可能新增(zeng)5．8億(yi)平(ping)方英寸， 這(zhe)樣(yang)每年需(xu)(xu)多(duo)晶(jing)硅(gui)將(jiang)達~U4686t。該地(di)(di)區沒有(you)多(duo)晶(jing)硅(gui)生產廠(chang)(chang)， 所需(xu)(xu)多(duo)晶(jing)硅(gui)全(quan)部(bu)依賴進(jin)口。中國若有(you)多(duo)晶(jing)硅(gui)出口， 將(jiang)有(you)良(liang)好的(de)地(di)(di)理優(you)勢。
3、國際市場需求與(yu)發展
目(mu)(mu)前(qian)，全球多晶硅市場(chang)供大于求， 但隨著以(yi)(yi)計算(suan)機為核心、以(yi)(yi)網絡(luo)為傳輸媒體的(de)網絡(luo)新(xin)經濟時代(dai)來臨， 以(yi)(yi)及(ji)新(xin)型清潔太(tai)陽能(neng)的(de)不斷(duan)發(fa)展， 世界半導體市場(chang)將以(yi)(yi)高速(su)發(fa)展， 硅片(pian)需求旺(wang)盛。專家預(yu)測，多晶硅需求將以(yi)(yi)每(mei)年(nian)5％ 的(de)速(su)度(du)增長， 到(dao)2005年(nian)，多晶硅用(yong)量將達28600t， 目(mu)(mu)前(qian)年(nian)產22400t產能(neng)將滿足(zu)不了(le)消費要求。
五(wu)、我國多晶(jing)硅(gui)技術發展
1986年， 原(yuan)中國有(you)(you)色(se)金(jin)屬(shu)工業總公(gong)司和(he)各(ge)級政府， 在積極引進多晶(jing)硅(gui)(gui)生產技(ji)(ji)術的(de)前提下， 同時決定走自行研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)多晶(jing)硅(gui)(gui)生產技(ji)(ji)術的(de)道路， 組織北京(jing)有(you)(you)色(se)冶金(jin)設計(ji)研(yan)究(jiu)總院(yuan)與峨(e)嵋半導體材料廠(chang)(所)共同研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)。為了(le)從(cong)根本上解(jie)決多晶(jing)硅(gui)(gui)生產中物耗高(gao)、能耗高(gao)、成本高(gao)、污染(ran)嚴重及難(nan)實現(xian)規模生產問題(ti)， 研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)了(le)“導熱油循(xun)環冷卻(que)技(ji)(ji)術、大(da)型節能還(huan)原(yuan)爐、SiCI4氫化和(he)還(huan)原(yuan)尾(wei)氣干法回收”等4項關鍵技(ji)(ji)術。
1987年(nian)， 首先突破(po)了導熱油(you)循環(huan)冷卻技術，為(wei)開(kai)發大(da)型節能還(huan)(huan)原爐創造(zao)了條件， 隨后多晶(jing)硅產品直徑 100mm的(de)6對棒(bang)還(huan)(huan)原爐投(tou)產， 進而導熱油(you)循環(huan)冷卻技術與大(da)型節能還(huan)(huan)原爐配套投(tou)產， 使多晶(jing)硅產品的(de)能耗大(da)幅度降低， 多晶(jing)硅還(huan)(huan)原生(sheng)產中80％一90％ 熱能可以得到(dao)回收。與此同(tong)時(shi)，SiCI 氫[wiki]化工[/wiki]業性(xing)試驗(yan)取得成功。
1996年(nian)， 在引進技(ji)術條(tiao)件(jian)過于苛(ke)刻， 多年(nian)努力難以實現(xian)的條(tiao)件(jian)下(xia)， 國(guo)家(jia)計委(wei)及原中(zhong)國(guo)有(you)色(se)金屬工業(ye)總公司支持， 由北京有(you)色(se)冶(ye)金設計研(yan)究總院與峨嵋(mei)半(ban)導體(ti)材料廠合(he)作，用(yong)已(yi)取得的多晶硅(gui)生(sheng)產技(ji)術成(cheng)果， 利用(yong)峨嵋(mei)半(ban)導體(ti)材料廠現(xian)有(you)條(tiao)件(jian)， 建成(cheng)一條(tiao)1OOVa規模的多晶硅(gui)工業(ye)性生(sheng)產示范線， 形成(cheng)完整的改良西(xi)門(men)子(zi)工藝系(xi)統。主要工藝過程包括Sil—Cl3合(he)成(cheng)、SiHCI 氫(qing)化、SiHCI3提純、SiHCl3還(huan)原(yuan)、多晶(jing)硅(gui)后處理、還(huan)原(yuan)爐尾氣干法回收等(deng)， 其(qi)特點(dian)為閉(bi)路循環(huan)系統(tong)， 全部回收各環(huan)節的尾氣， 全面解決了傳統(tong)西門(men)子(zi)法生產多晶(jing)硅(gui)的過程中存在的物耗高、能耗高、環(huan)境污染(ran)嚴重等(deng)問題。
核心技術有如下幾項：
(1)sich氫化
SiCI 氫(qing)化(hua)(hua)技術系(xi)統(tong)(tong)要求(qiu)在(zai)較高(gao)溫(wen)度和(he)壓(ya)力的條件(jian)下， 將SiCl 加H2轉(zhuan)化(hua)(hua)為SiHCI3， 由設計院(yuan)設計反應器，計算(suan)整個系(xi)統(tong)(tong)平(ping)衡(heng)，確定工藝條件(jian)，編(bian)寫(xie)操(cao)作(zuo)規(gui)程， 指導(dao)施工試車， 最后實(shi)驗得到在(zai)一(yi)定溫(wen)度和(he)壓(ya)力條件(jian)下，SiCI 一(yi)次(ci)轉(zhuan)化(hua)(hua)率(lv)平(ping)均(jun)穩定在(zai)25％ 以上。經一(yi)年多的穩定運(yun)行， 證明系(xi)統(tong)(tong)是安全、可靠的， 系(xi)統(tong)(tong)指標高(gao)于(yu)國(guo)外報導(dao)的一(yi)次(ci)轉(zhuan)化(hua)(hua)率(lv)最大1 5％
的水平， 國內首次(ci)在1OOVa多晶硅生產系統中采用， 技術達到國際先進(jin)水平。
(2)還原爐尾氣(qi)干法回(hui)收
多(duo)晶(jing)硅(gui)還(huan)(huan)原尾氣中(zhong)(zhong)的(de)H2、HCI、SiHCI3、SiCI4等成(cheng)分， 經(jing)加(jia)壓(ya)、冷(leng)卻到(dao)(dao)一定的(de)條件后， 其中(zhong)(zhong)的(de)SiHCI3、SiCI 被冷(leng)凝分離(li)出來(lai)， 該(gai)混合物經(jing)分離(li)塔后分別得(de)到(dao)(dao)SiHCI3~DSiCI 。SiHCI3直接送還(huan)(huan)原系統生產多(duo)晶(jing)硅(gui)，SiCI4j~_氫(qing)化(hua)工(gong)(gong)序， 經(jing)氫(qing)化(hua)后轉化(hua)成(cheng)Si-He 3， 再經(jing)分離(li)塔分離(li)后得(de)到(dao)(dao)SiHCI3， 也(ye)送還(huan)(huan)原工(gong)(gong)序生產多(duo)晶(jing)硅(gui)。壓(ya)縮、冷(leng)凝后的(de)不凝氣體， 主要是H27DHCI， 在加壓(ya)低溫條(tiao)件下， 通過(guo)特殊的(de)分(fen)(fen)離(li)工藝， 使H2、HC1分(fen)(fen)離(li)出(chu)來(lai)， 無(wu)雜(za)質、無(wu)水分(fen)(fen)的(de)純H ，返(fan)回還原(yuan)工序(xu)重復利用， HCI送合成工序(xu)， 生產Si-HCI3。還原(yuan)尾氣(qi)(qi)干(gan)法回收可使尾氣(qi)(qi)不接觸任何水份， 將(jiang)其中的(de)各種成份一一分(fen)(fen)開， 不受污染地(di)返(fan)回系(xi)統(tong)重復利用。
還(huan)原(yuan)尾氣干法回(hui)收全(quan)部采用(yong)國產(chan)(chan)設備， 是我(wo)國自行研究、設計的(de)首套投入運(yun)行的(de)尾氣干法回(hui)收裝置， 其運(yun)行證明， 還(huan)原(yuan)過程產(chan)(chan)生的(de)尾氣中各組分幾乎(hu)100％ 可以(yi)得到回(hui)收， 純H 消耗從傳統西門子工(gong)藝的(de)~35m3／kg降至1．5m3／kg以(yi)下， 分離出的(de)H2、HCI、氯硅(gui)烷(wan)等產(chan)(chan)品質量滿足多晶硅(gui)生產(chan)(chan)要求， 全(quan)部返回(hui)系(xi)統使用(yong)， 且系(xi)統能夠適應多晶硅(gui)生產(chan)(chan)能力的(de)變化。
(3)導熱油循環冷卻技術(shu)
還(huan)原(yuan)(yuan)爐(lu)中(zhong)高溫硅棒表面向爐(lu)壁輻射(she)的(de)熱(re)(re)， 由(you)(you)還(huan)原(yuan)(yuan)爐(lu)夾套(tao)循(xun)(xun)環的(de)導(dao)熱(re)(re)油帶出(chu)來， 高溫熱(re)(re)油經不同途徑(jing)釋放(fang)熱(re)(re)能后(hou)，再(zai)回到(dao)還(huan)原(yuan)(yuan)爐(lu)夾套(tao)， 循(xun)(xun)環往復， 可回收還(huan)原(yuan)(yuan)過程80％-90％ 以上的(de)副產熱(re)(re)能，保證了硅棒產品(pin)直徑(jing)誤差不超過數毫米。由(you)(you)9對棒大(da)直徑(jing)還(huan)原(yuan)(yuan)爐(lu)與導(dao)熱(re)(re)油循(xun)(xun)環冷卻(que)技術構成的(de)系統，使多晶硅產品(pin)直接(jie)電耗由(you)(you)傳統西門子工藝的(de)450kW h一500kW h／kg·Si降_~250kW h／kg·Si以下。
(4)大型節(jie)能還(huan)原(yuan)爐(lu)
9對棒大(da)型節電還原爐生產(chan)(chan)多(duo)晶硅最(zui)大(da)直徑可達(da)巾1 1 5mm， 生產(chan)(chan)區熔用多(duo)晶棒直徑可控(kong)制在(zai)巾70mm～80mm， 硅芯長度1．5m， 單(dan)臺(tai)年(nian)產(chan)(chan)量(liang)分別為23t及1 5t，是國(guo)(guo)內最(zui)大(da)的(de)還原爐， 填補國(guo)(guo)內空白， 基本符合大(da)規模生產(chan)(chan)的(de)要(yao)求。
以(yi)上技術， 于2000年元月通(tong)過國家有(you)關部門組織的專家鑒定(ding)、驗(yan)收(shou)。專家認為， 1OOUa多晶硅(gui)(gui)實驗(yan)示(shi)范(fan)線的建成， 標志(zhi)著我國擁有(you)了(le)多晶硅(gui)(gui)生產(chan)的自(zi)主(zhu)知識產(chan)權(quan)， 建設千噸級(ji)多晶硅(gui)(gui)廠就擁有(you)了(le)主(zhu)動權(quan)， 從1O00Va多晶硅(gui)(gui)項(xiang)(xiang)目建設前期工作開始，直至項(xiang)(xiang)目投產(chan)、達產(chan)，都可根(gen)據我們自(zi)己的條件安(an)排。由(you)于知識產(chan)權(quan)為自(zi)己所有(you)， 所以(yi)投資、效益、產(chan)(chan)(chan)品競爭能(neng)力等方面將會有(you)更大的(de)優勢。當然，1O00Ua多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)的(de)產(chan)(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)化， 不(bu)是(shi)1OOUa級簡單翻10倍的(de)關(guan)系， 有(you)許多(duo)技術(shu)難題(ti)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)突破，在(zai)(zai)系統平衡、設備(bei)選擇(ze)、試車、投產(chan)(chan)(chan)、計(ji)算機控制、網絡化管理、市場開拓等方面有(you)大量細致的(de)工作(zuo)要(yao)做， 是(shi)更高(gao)層次的(de)技術(shu)創新(xin)， 是(shi)科學(xue)技術(shu)轉化為(wei)生產(chan)(chan)(chan)力的(de)集中體現(xian)，需要(yao)設計(ji)研究(jiu)院與業(ye)(ye)(ye)主在(zai)(zai)新(xin)的(de)起點上(shang)共同攻(gong)關(guan)完成。經(jing)過(guo)1OOt／a多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)的(de)工業(ye)(ye)(ye)化試驗研究(jiu)， 我國已掌握(wo)改良西門子法多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)生產(chan)(chan)(chan)技術(shu)， 在(zai)(zai)此基(ji)礎上(shang)，如能(neng)局部(bu)引進(jin)國外的(de)先進(jin)技術(shu)和(he)設備(bei)， 合作(zuo)或合資建設一(yi)條(tiao)至兩條(tiao)千噸級以上(shang)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)生產(chan)(chan)(chan)線， 滿(man)足(zu)市場需求， 將為(wei)我國信息產(chan)(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)的(de)發展打下良好的(de)基(ji)礎，從根本上(shang)改變我國硅(gui)(gui)片生產(chan)(chan)(chan)用多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)原(yuan)料長期依賴于人的(de)局面。
