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1、浅析多晶硅发展之路张 椿一、 多晶硅的生产重点转移1、电子级多晶硅的需求量增长缓慢。多晶硅产业过去一直是以生产电子级多晶硅为主，由于微电子的技术进步迅速，集成度越来越高，线宽由20nm向10nm发展，硅片直径不断增大，目前直径300mm硅片占65%，200mm35%，150mm10%以下。每平方英寸的价格也有逐渐下降的趋势。因此电子级多晶硅需求量增长缓慢，2001年2011年平均增长率在5.32%，预计今后5年变化也不大。表1 2001年-2011年世界硅片的增长情况硅片 年20012002200320042005200620072008200920102011百万in239404681514
2、962626645799686618137670793709042增长率%2918.81021.66.1220.338.326.05-17.6403.5Us/in21.321.171.141.171.231.291.401.401.001.04EG硅估量吨13000156001700019800205002150025900244002040028100250002、光伏产业激发了多晶硅迅速增产。自从光伏产业井喷式发展，多晶硅企业的生产重点逐年向生产太阳能级多晶硅转移，世界多晶硅的产量急速增长，目前太阳能级多晶硅的消耗量已占总产量的85%左右，从2001年至2011年平均增长率为33.5%，近
3、5年的平均增长率达到61.5%。预测2015年多晶硅的需要量24万吨，半导体用4万吨，生产能力达35万吨，有过剩之虑。同时要求太阳能级多晶硅的纯度也不断提高，今后5年要求单晶太阳能电池的转化效率18%，多晶硅的纯度达11（9）。表2 世界多晶硅产能的增长情况项目 年20012002200320042005200620072008200920102011硅产量2511026700267002880030000304004880077850104200154800235000增长率%7.76.407.864.161.3360.559.533.848.6.105 3、目前国际上多晶硅的生产工艺仍以西
4、门子法为主。美国是世界上第一个用杜邦法（四氯化硅锌还原法）生产多晶硅的国家，由于锌不易提纯，产出的针状多晶硅的纯度不高。因此美、日和西欧各国约有16个单位，美国4家（道康宁、孟山都、德克萨斯、联合碳化物公司）、日本6家（信越、东洋硅、小松电子、日本电子金属、大阪钛、高纯硅）、西欧6家(德国、比利时、丹麦、英、法等国)，都在研发生产高纯度多晶硅的工艺方法。自从1959年西门子与WACKER公司合作研发成功西门子法后，其他生产工艺和研发单位多被淘汰，保留至今的生产单位只有一两家。生产方法基本上都是西门子法和硅烷法。但是西门子法在多年的生产实践中不断的改进和提高，故又称改良西门子法。浅析一下国肉外七
5、大多晶硅生产巨头的发展概况，可能对我们有所启迪。表3 七大多晶硅生产巨头增产的预测（吨） 公司产能20062011年2012年2013年2014年2015年成立年生产方法条件WACKER650042000520006700067000670001959 西门子化工厂HEMLOCK1000040000515006300063000900001961 西门子化工厂三菱2800430043004300430043001967 西门子REC597019000190001900019000190001985 硅烷法MEMC2700900090009000900090001986 硅烷法磷肥厂OCI420
6、00620008600086000860002007 西门子化工厂GCL35000650002007西门子产能预测摘自稀有金属新闻（日文）No2528 2012年4月16日七大公司成立最早是WACKER（1959年）。其次是HEMLOCK.（1961年是Dow-Corning，1984年与日本三菱和信越合资改称HEMLOCK）,三菱（1967年）。其余都是80年代以后建厂。七大公司共有的显著特点：都历属于集团公司或大化工企业或兼而有之，故能持续和快速发展。主要原因是： 1）、西门子法基本是用化学法提纯硅材料，因此目前多晶硅的生产巨头多与化工厂相结合，化工厂的生产规模一般比多晶硅的规模大得多，已
7、有的水、电、气、汽、冷媒和三废处理的规模和条件很容易满足多晶硅的生产要求。特别是氯气和氢气无需长途运输、储存，既经济又安全。另外如WACKER和HEMLOCK公司是有名的有机硅生产厂，产品有7000多种、OCI和德山公司也有许多化工产品，如烧碱、白碳黑、人造石英和化学试剂等。多晶硅生产过程中的中间产品或副产品，均可采用经济合理的方案分别处理，即降低了单耗又大大减少了三废的处理量。这些得天独厚的优势是单独建多晶硅厂无法比拟的。2）、多晶硅既然是属于化学提纯工艺，化工厂对原料的提纯、安全生产、质量管理、工艺条件的控制和三废处理都有较强的技术优势。如三氯氢硅提纯排放的高、低沸点的硅化物，都可做有机硅
8、的原料。3）、在化工厂生产多晶硅，除上述优越性外，更重要的是经济上有一个强大的后盾。如WACKER、HEMLOCK和徳山公司硅材料的销售额，只占公司总产值20%左右，硅材料生产有很强的抗风险能力。4）、研发经费和技术力量较强，研发经费一般是销售额的5%以上，在此基础上和多年的生产实践中，有利于技术创新和新技术的研发。使生产设备和工艺条件不断改进和提高。5）、目前这些老厂除产量大、成本低，更主要的是多年的生产实践经验丰富，生产工艺稳定，产品质量好，如WACKER太阳能级多晶硅的质量相当于我国电子级的水平。WACKER PLC-LE4 太阳能级多晶硅的指标多晶硅纯度(P、As、Sb） Max 30
9、0ppta(B、AL) Max 100ppta碳含量C 250ppba体金属的总含量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn、Na）Max.2ppbw6）三菱公司虽然是大集团公司，经济实力强大，但是它的多晶硅企业与德古萨公司是体外结合，受德古萨公司生产能力以及地区的条件的限制，日、美两个厂的产量到2015年仍维持在4300吨。我国的GCL(中能)和韩国OCI公司基本都在2007年成立的，目前的产能均已超过6万吨。已跃居世界顶级企业,它们为什么能如此健康的快速发展，主要是稳步、快速、分步扩建。不断吸收新工艺、新技术、新设备，不断壮大。同时也说明一个行业的兴衰完全取决于不断的技术进步。4、硅烷法的独特优势。
10、用小松法生产多晶硅基本被淘汰，REC用UCC法生产棒状硅和粒状硅。MEMC是用磷肥厂的副产物，氟化硅做原料，制取硅烷生产粒状硅。1） 硅烷法生产的棒状硅，纯度高、结晶致密，用区熔法生产硅单晶可一次成晶。是生产区熔单晶最佳的原料。2） 粒状硅是生产廉价太阳能级多晶硅，最有潜力的生产工艺之一。（1）生产能耗低，目前REC的FBR反应炉的能耗只有4.1kwh/kgsi。约为西门子法CVD炉的1/11。（2）目前粒状硅产品的纯度和工艺稳定性有待提高，REC目前粒状硅纯度如下：Concentration MaximumAcceptor(Boron) 20 ppbaDonor(Phosphorus) 30
11、 ppbaCorbon 10 ppma Total Metals 300 ppbw Average （3）REC的成本正在不断下降，今年第二季度的生产成本已降到21.5us/kg.（其中，现金成本 11.5美元，折旧弗7美元，经营管理弗3美元）二、 我国多晶硅产业跌宕起伏的发展之路1）、50年代我国科研单位和高等院校，开始研究和探索各种半导体级多晶硅的生产方法。2）、60年代已有5、6个单位采用西门子法和贝尔法小规模生产多晶硅，自主研发成的不锈钢钟罩式还原炉、硅芯做发热体、高压启动、基座法拉硅芯、湿法回收尾气等有创造性的工艺，应该说工艺思路是相当先进的。但是由于许多客观条件的限制无法逐步完善。
12、3）69年陈伯达号召全国大搞电子工业，破除迷信，打破洋框框，科学严谨的工作作风受到冲击，一时我国究竟有多少半导体厂，谁也说不清。4）80年代半导体材料企业逐步走向正规，我国约有18家硅材料厂，多晶硅的最高产量100吨左右。产品质量基本在电子级水平，可以满足我国电子工业的要求。5）90年代改革开放后，可以自由进口多晶硅，国外公司不同质量免洗多晶硅的报价是2245美元/公斤。价格和质量都优于国内产品，更主要的是用户无须自己破碎清洗，颇受欢迎。当时我国多晶硅的生产规模，最大的只有30吨左右，大部分在10吨左右，只有几个单位有湿法尾气回收系统。单耗和能耗高，综合能耗在500-700kwh/kgsi左右
13、，生产成本高，竞争乏力。有些单位自产自用勉强维持，因此不到10年时间，几乎将我国的多晶硅企业全部冲垮。6）20世纪光伏产业高速发展，多晶硅奇缺，一克难求，故有：拥硅者为王和暴利胜过贩毒之说。在利益驱动和各地政府的支持下，多晶硅产业如雨后春笋般的在中国大地遍地开花。掀起我国第二次大搞多晶硅的高潮，目前我国晶硅厂恐怕不少于60家。产量从2002年的50吨到2011年的82768吨，增长了1400多倍，一跃成为世界多晶硅生产大国。在不到10年的时间，我国多晶硅产业在引进、吸收、消化和自主创新的基础上，企业生产规模已扩大到万吨级以上、综合电耗多为150kwh/kgsi左右，个别单位采用冷氢化和大型还原
14、炉等技术，综合电耗己小于100kwh/kgsi。多晶硅产业从设计、设备制造和生产工艺都取得了巨大的进步。特别但是我国多晶硅产业，在节能减排、降低成本、工艺的稳定性，特别是产品质量与国外仍有不少差距。因此可以说是多晶硅的生产大国，但不是强国。三、两头在外的忧患我国光伏产业的超速发展，多晶硅的需要量急剧增长，虽然我国多晶硅的产量几乎逐年翻番，但是每年仍需大量外汇进口多晶，我国光伏企业的市场却立足于国外，据统计2010年96%的光伏产品出口，2011年88%的产品出口。随着美国对中国光伏组件产品实施“双反”和欧债危机的不断延续，欧洲对光伏市场的补贴大幅削减，市场需求出现大幅萎缩，使得中国光伏企业的生存雪上加霜。国内光伏企业上半年业绩可谓一片狼藉。在光伏产业激发起来的多晶硅产业亦深受其害。加之国外公司在多晶硅过剩的情况下，实行低价倾销，有的甚至零价格销售，用户只付运费，显然欲将我国多晶硅产业置于死地。目前已投产的43家多晶硅企业仅剩8家企业勉强生产，80%企业已经停产。但是我国光伏企业为了产业的利益，今年17月进口多晶硅已达4.8万吨，创历史同期之最。我国从2005年到2011年
