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多晶硅生产技术发展方向探讨

2020-09-10马彦春何肖良

环球市场 2020年9期
关键词:多晶硅生产技术发展方向

马彦春 何肖良

摘要:以多晶硅的半导体特性,广泛用于微电子产业和光伏产业,为满足太阳能多晶硅快速增长的需求,新的制备技术和过程中大力发展低成本、低能耗的太阳能级多晶硅的主流工艺制备工艺进行了论述。

关键词:多晶硅;生产技术;发展方向

随着世界人口的不断增长,传统化石能源的日渐枯竭,人类开始大力研究开发太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、等新型能源。据科学家估算,太阳能作为一种最具潜力、最清洁和最普遍的清洁能源,每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦,可开发利用500-1000亿度,而作为光电转换的关键材料多晶硅,随着光伏产业快速发展和需求加速增长,多晶硅作为重要性被高度重视起来并以规模化生产。

一、多晶硅的性质

多晶硅是元素硅的一种形式。当熔融的单质硅在过冷条件下固化时,硅原子以金刚石晶格形式排列成多个晶核。如果晶核生长成具有不同晶体取向的晶粒,则晶粒结合并结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,没有单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面,两者的差异极小。

二、多晶硅生产工艺概述

目前,工业上制备多晶硅的化学方法主要有改良西门子法、硅烷法、流化床法,其他还有冶金法、气液沉积法、高纯金属还原法等。

(一)改良西门子法

1955年西门子公司成功开发利用氢气还原三氯硅烷在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术,并于1957年开始了工业规模的生产,俗称西门子法。

改良西门子法的生产流程是HC1和SI粉在280~320℃条件下反应SiHCl,經分离提纯后的高纯SiHCl和H送还原炉通过化学气相沉积反应生成高纯多晶硅,该工艺将采用大型还原炉,单位能耗低、通过采用SiCl氢化和尾气干法回收工艺,明显降低了原辅材料的消耗。改良西门子法工艺技术成熟、配套完善、综合成本最低,沉积速率达8-10μm/min,一次转化效率为8%-15%,沉积温度:1080℃-1100℃,还原电耗58kWh/kg,相比较硅烷法、流化床法其沉积速率、转换效率、电耗较高。

(二)硅烷法——硅烷热分解法

硅烷法以氢气、钠、铝、氟硅酸为主要原辅材料,通过硅合金分解法、SiCl氢化法、氢化物还原法等方法制取SiH气体提纯后,经SiH热分解生产纯度较高的棒状多晶硅,核心工艺是利用高纯度硅烷在反应器中热分解产生高纯硅,改良西门子法的中间产品是SiHCl,硅烷法是SiH,两者工艺性质接近但中间产品是两者的区别。

优点:硅烷法反应温度低(800℃),反应比表面积大、效率高、杂质能得到较好、SiCl易大规模生产和提纯SiH原料、只需定期清床不需像西门子法要定期更换硅芯、配置电极连续性强等优点。

缺点:工艺复杂、建设费用高(设备投入巨大)、硅烷易爆炸安全性能低、耗能高等缺点;SiH分解易产生10%-20%硅粉,此部分损失导致硅烷法沉积速率(3~8μm/min)仅为西门子法的1/10,生产过程总转化率只有0.3,硅烷法不像改良西门子法在关键核心设备及工艺方案优化开发上有配套的研发团队和设备供应商,因此,硅烷法工艺改进很不顺利,生产成本较改良西门子法高很多;

(三)流化床法

流化床法是美国联合碳化合物公司早年研发的多晶硅制备工艺技术,该方法以Sicl、H、HC1和硅粉为原料在高温高压流化床内生成SiHCl,将SiHCl加氢反应歧化生成SiHCl芥飞,再生成SiH气,制得的SiH4气通入流化床内与硅粉反应生成粒状多晶硅产品。

优点:由于在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大,故该方法生产效率高、电耗较低、成本低。

缺点:安全性较差,危险性较大;生长速率较低(4~6μm/min);一次转换效率低2%-10%,还原温度高(1200℃),能耗高产量低。

三、多晶硅的应用

多晶硅作为重要的电子信息材料具有广泛的用途,被称为“微电子大厦的基石”。硅与其它半导体材料相比具有体积小、效率高、可靠性强、寿命长等优点,因此广泛用于电子工业中集成电路与半导体器件上。

在信息产业中,多晶硅主要用来生产单晶硅,而单晶硅就是所谓硅半导体材料,它是制备电子元件和集成电路的优质原材料。除信息产业外,多晶硅还被用来制备太阳能电池板以及生产可控硅元件,多晶硅制备太阳能电池板,或者拉制成单晶硅后用来制备太阳能电池板,其制造成本较低,光电转化率较高等优点得到飞速发展。

四、结语

综上所述,改良西门子法依靠多晶硅纯度高、安全性好的优点、连续性强的优点,在多晶硅生产领域已经应用了几十年,同时通过CVD技术的改良、中间气体生产技术的进步和规模化效益的凸显,多次创新的良西门子法已经成为目前技术最成熟、配套最完善、综合成本最低的多晶硅生产工艺,至今它的主导地位仍然牢不可破,依然成为了国际多晶硅生产的主流。

中国从2007年起大举进入多晶硅领域,到2019年上半年,全球多晶硅的名义产能64.2万吨,其中国内名义产能43.3万吨,海外名义产能20.9万吨,到2019年年底,国内多晶硅产能将达到53.8万吨/年,最近公布的财报显示,利用成熟的技术、完善的配套和自身产能规模的迅速扩张,中国部分多晶硅生产成本已降至4万元/公斤,综合电耗可低至57度/公斤,全球多晶硅产业向中国转移的趋势越发明显。

依靠最为成熟、投资风险最小、最容易扩建的工艺,占当今世界多晶硅总产量的85%改良西门子法,依然“综合素质”最优的多晶硅生产工艺。

参考文献:

[1]张鸣剑.太阳能多晶硅制备新技术研发进展[J].新材料产业,2019,6(6):29-33.

[2]李新刚.太阳能级多晶硅生产技术研究现状及展望[J].化工技术与开发,2018,9(09):27-33.

[3]赵建,詹水华,王东京,盛斌.多晶硅生产技术发展方向探讨[J].广州化工,2014,42(15):17-20,38.

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