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01 西門子法VS硅烷流化床法

其實(shí)，顆粒硅和塊狀硅的競爭在業(yè)內(nèi)并不是什么新鮮事，在保利協(xié)鑫在顆粒硅領(lǐng)域深耕十多年內(nèi)，二者之爭從來沒有停下過。

需要明確的是無論塊狀硅還是顆粒硅，他們都屬于多晶硅，制造工藝的不同造就了外觀和性能上的不同。從產(chǎn)業(yè)鏈上來看，二者都是從工業(yè)硅企業(yè)獲取原材料生產(chǎn)出多晶硅，提供給下游硅片廠商使用。

說白了，顆粒硅和塊狀硅之爭實(shí)則是兩種制程工藝的比拼。那便是西門子法VS硅烷流化床法。

不要把這個(gè)過程想得多復(fù)雜，實(shí)際上多晶硅的生產(chǎn)就是一個(gè)提純的過程，工業(yè)硅本身含有過多的雜質(zhì)，而光伏、半導(dǎo)體應(yīng)用中需要高純度的硅料。

故此，通過一系列工藝制程將工業(yè)硅變得更純凈。可以把多晶硅的生產(chǎn)簡單理解成“淘金”的過程。

無論是塊狀硅的西門子法還是顆粒硅的硅烷流化床法，多晶硅的生產(chǎn)其實(shí)都是分為兩部分。

第一步就是將工業(yè)硅進(jìn)行氣化，就是進(jìn)行一些化學(xué)反應(yīng)將工業(yè)硅變成氣體。第二步就是將氣體物質(zhì)還原成固體物質(zhì)——多晶硅。

再重復(fù)一遍，多晶硅生產(chǎn)分為兩部分：第一步：固態(tài)變氣態(tài)，叫氣化；第二部：氣態(tài)變固態(tài)，叫還原。

多晶硅的生產(chǎn)就是通過兩次固態(tài)氣態(tài)的變化而提純。

目前的多晶硅生產(chǎn)所用的技術(shù)主要為改良西門子法。2020年采用此方法生產(chǎn)出的多晶硅約占全國總產(chǎn)量的95％以上。

顧名思義，西門子法技術(shù)名稱的由來便是因?yàn)槲鏖T子公司在1955年成功開發(fā)了此項(xiàng)生產(chǎn)多晶硅的技術(shù)。并且，在后續(xù)進(jìn)行了尾氣回收等技術(shù)升級，被稱做改良西門子法。

簡單來講，西門子法就是將工業(yè)硅粉汽化成三氯化硅SiHCl3，再進(jìn)行提純，得出多晶硅的過程。由于制程上一直圍繞著三氯化硅展開，所以也可以叫其三氯化硅西門子法。

而顆粒硅和塊狀硅外觀上有著巨大的差別。顆粒硅形似球狀，直徑在2mm左右，和綠豆差不多大，外觀的不同緣于工藝上的不同，其工藝為硅烷流化床法。

理解這項(xiàng)技術(shù)并不難，硅烷就是硅與氫的化合物，主要指的是甲硅烷SiH4。硅烷流化床與西門子法之間工藝存在著延伸關(guān)系。

相同的地方是二者生產(chǎn)過程中都存在著氣化出三氯化硅SiHCl3這一步驟。不同的地方是硅烷法多了一個(gè)步驟，將三氯化硅SiHCl3再加工成甲硅烷SiH4后再進(jìn)行還原（氣態(tài)變固態(tài)）。

這一步驟具體的操作便是在流化床中，通入甲硅烷氣體然后加熱裂解成小顆粒硅（SiH4→Si＋2H2）。

此時(shí)，在流化床另外一個(gè)端口持續(xù)加入仔晶，小顆粒硅便開始附著在仔晶上，持續(xù)過程使得仔晶變大，最后從出口排除。這個(gè)過程有點(diǎn)像我們小時(shí)候玩滾雪球的游戲，越滾越大。

還原（氣態(tài)變固態(tài)）過程的不同不僅造就了二者形態(tài)上的差別也使得性能不同、成本不同。

外觀形式上的差別是顯而易見的，這種差別對其使用也產(chǎn)生了影響。

顆粒硅形似球狀，流動(dòng)性好，在相同的反應(yīng)爐上可以多裝15％－20％的物料，提升了效率；相反，西門子法生產(chǎn)的塊狀硅需要進(jìn)行破碎才能使用，此過程中很可能造成浪費(fèi)和物料的污染。

此外，在拉晶（從反應(yīng)爐拉出來硅片）過程中，顆粒硅憑借體積的優(yōu)勢更適合于CCZ（連續(xù)直拉法），加料、 熔化、晶棒拉制同時(shí)進(jìn)行，此過程極大地提升了生產(chǎn)效率。

而更為關(guān)鍵的是，能耗和投資成本的大幅度下降。

在硅片生產(chǎn)過程中，西門子法工藝對溫度要求極高，超過1000度，而硅烷流化床法保證在550－700度之間即可。

與此同時(shí)，西門子法工藝存在著多次的循環(huán)過程，生產(chǎn)中高溫度和多次循環(huán)的過程導(dǎo)致的結(jié)果是能耗高達(dá)60kwh／kg，遠(yuǎn)超硅烷流化床法的20kwh／kg。

其次，由于硅烷流化床法工藝簡單，降低了投資強(qiáng)度，相比西門子法的8億／萬噸投資成本，硅烷流化床法僅為6億／萬噸，相對應(yīng)的折舊成本更低。

綜合來看，顆粒硅技術(shù)在原有的基礎(chǔ)之上可以將生產(chǎn)效率提升超過20％，降低綜合生產(chǎn)成本30％以上。

顆粒硅的生產(chǎn)過程是更為清潔的，較少了碳排降低了能耗。在限產(chǎn)限電背景下，是更加適宜的生產(chǎn)方式。

想必大家讀到這里產(chǎn)生了疑問，既然有這么多優(yōu)點(diǎn)為何目前主流的多晶硅仍舊采用西門子法呢？要知道，顆粒硅的市場占有率還不到5％。

正所謂“成也蕭何，敗也蕭何”，硅烷流化床法帶來了成本和效率的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)也同樣明顯。

其中，純度是顆粒硅繞不開的話題。

由于采用硅烷流化床法（SiH4→Si＋2H2），加熱裂解使得硅中含氫量較高，同時(shí)制造過程中使得小顆粒硅被吹起，很容易撞到內(nèi)壁，而內(nèi)壁主要由碳組成，使得產(chǎn)品含碳量高。此外，顆粒硅的表面積明顯大于塊狀硅，使得更容易沾染雜質(zhì)。

其結(jié)果就是硅片生產(chǎn)過程中，顆粒硅受熱后氫氣溢出，造成液面跳動(dòng)或加料濺出，影響了正常量產(chǎn)。

此時(shí)，一定會有一些聲音說顆粒硅質(zhì)量可以達(dá)到電子級別了，但是要知道達(dá)到如此高品質(zhì)的產(chǎn)品并非大規(guī)模量產(chǎn)得來。

由工藝導(dǎo)致的雜質(zhì)問題，使得規(guī)模生產(chǎn)后產(chǎn)品的品質(zhì)差異極大，故而無法直接作為原材料生產(chǎn)硅片，在拉晶過程中顆粒硅只能作為摻雜料使用（摻雜比例約15－20％）。

但是，隨著今年來硅料價(jià)格的暴漲，這一平衡逐步被打破。