势在必行--方硅芯替代圆硅芯

ZGPV

硅芯，是在西门子法和硅烷法多晶硅生产中作为还原炉中进行还原反应沉积（CVD）多晶硅的热载体。在还原反应结束后，硅沉积在硅芯周围，硅芯连同硅通过破碎一起作为多晶硅原料使用，因此，硅芯是作为多晶硅生产过程中非常重要的辅材使用和消耗的。
    一、作为还原反应沉积（CVD）多晶硅的热载体发展经历的几个阶段：
    第一阶段是用钼丝或钽管：用钼丝或钽管做热载体，使用方便设备简单，用钽管是为了中间可以用酸腐蚀掉钽管用以制备区熔法单晶硅的硅料。但高温下金属原子扩散影响多晶硅纯度和品质，这一工艺很快被硅芯热载体取而代之；
    第二阶段是区熔法生产的硅芯（圆硅芯）：硅是半导体，具有温度越高电阻越低的负阻效应，用区熔法拉制的硅芯在加热后或高压击穿后低压加热成为热载体在还原炉内进行CVD生长多晶硅，生产的多晶硅质量明显提高。区熔法硅芯的生产工艺也几经变革，从一次拉一根到一炉次拉数根以节省拆炉开炉消耗的时间，进而发展到用一次拉多根，一炉次拉数次，使一炉次可以生产十多根硅芯，生产效率大大提高。但区熔法硅芯生产对操作工要求较高，多根工艺自动控制较难实现，硅芯又细，操作必须随时盯着从而使劳动强度加大，生产成本也相对较高。
    第三阶段是目前的线切方硅芯：由于圆硅芯的缺点较明显，机械加工的方式随之产生，用园盘锯床或带锯锯床切割拉制的多晶硅棒生产方硅芯，生产效率大大提高，劳动力要求也降低，但缺点是割缝太大，损耗高成本高限止了它的应用和发展。随着多线切割技术的日趋成熟，线切方硅芯应运而生，用多晶硅棒进行线切割加工，一次可以切出上百根方硅芯，生产效率比区熔法拉制的圆硅芯更上一层楼。不仅生产效率提高，由于线切方硅芯相对表面积大、尺寸整根规一、强度高等优点，使用中还带来还原速率提高，炉周期缩短，倒炉率减少，电耗下降等工艺进步的好处。
    二、我国多晶硅生产企业使用硅芯的现状：
    由于我国多晶硅的生产起步较晚，技术主要控制在欧美等国手中，近年来新建的企业基本都是采购国外的技术包，价格高昂且往往不全面。目前在国外多晶硅生产企业中，基本全部采用线切方硅芯，国外购进的设备调试也基本采用方硅芯。由于国外控制技术，方硅芯切割设备非常昂贵，因此，部分国内企业在引进国外的工艺包后，在硅芯环节采用第二代的圆硅芯以降低成本，国内完全使用方硅芯的只有南玻、赛维等少数几个厂家。
    2010年，我公司参与研发的国产方硅芯线切设备问世，该设备采用了与国外设备完全不同的布线和加工方式，并取得了国家专利，使设备的制造成本和使用成本均大幅下降，自2011年起向国内主要多晶硅生产企业推广，受到了所有厂家的好评。受光伏行业特别是多晶硅价格下跌的影响，国内生产企业产量逐步萎缩，原来已经合作的客户也出现了停产、减产的情况，对我公司的业务发展带来了极大的考验。
    本年中，凭借方硅芯的先天优势和自主开发设备的优势条件，在客户减少的情况下，我公司瞄准国内最大的多晶硅企业：保利协鑫旗下的中能硅业作为业务的突破口，向他们推出我公司特有的15*15规格的大尺寸硅芯，经过他们半年的试用，取得了很好的使用效果，目前我公司已与中能签订了三年期的采购意向合同。对目前还在生产的客户，我们也在保持供应量，如四川瑞能、东明中硅等企业，也在稳定的采购我公司的产品。
    三、方硅芯的技术优势：
    目前，国内还是国外，已淘汰了用钼丝或钽管做热载体，国外基本采用方硅芯，国内大部分厂家因为前期投资考虑使用圆硅芯，现就方硅芯与圆硅芯比的技术优势分析如下：
    1、生产硅芯的产能优势：
线切方硅芯与硅芯炉生产的硅芯（圆硅芯）的对比表:
序号        项目内容        单根硅芯炉        多根硅芯炉        线切方硅芯
1        单次拉制根数        1        5        1（直拉多晶棒）
2        单炉次拉制/线切根数        4        15        177
3        原料棒直径        Φ30mm        Φ80mm        Φ140mm
4        硅芯长度        2600mm        2600mm        2600mm
5        硅芯直径        Φ8mm        Φ8mm        8×8mm
6        每日拉制/线切根数        8        30        177
7        单根耗电量        42.8kWh        20.6kWh        18.1kwh
8        单根氩气消耗量        1.5m3        0.36m3        0.4m3
    从上表看，方硅芯产量大，且稳定。国内多晶硅生产企业都自备硅芯生产设备自产自用。随着多晶硅规模化生产，硅芯的用量随之增加，一个万吨规模的多晶硅厂就要配套一个硅芯分厂，投资成本增加。线切方硅芯问世后，可以整齐叠放，整捆打包，运输损耗大大下降，已可以作为商品流通，国外市场基本都由专业生产企业提供硅芯，为多晶硅生产企业配套服务，这一变革大大方便了多晶硅企业的生产，特别是新上的多晶硅厂不用再为硅芯生产投资和生产管理耗费资金和精力。
    2、成本优势：
    如按同样重量的硅芯对比，方硅芯的生产成本要明显低于圆硅芯；在表中单炉次多根多次硅芯炉是采用φ80左右的原生多晶硅棒作为原料的，还原炉生长到φ80左右的时候正是多晶硅快速沉积阶段，此时停炉影响多晶硅产量和成本，同时区熔用的多晶硅生长速率要降低，以保证多晶硅棒的致密度，否则化料时会开裂，也增加成本，所以部分厂家为了保持多晶硅产量情愿出钱让直拉炉拉成φ80左右多晶棒做原料，这样一来电耗、氩气消耗量就增加不少，成本也相应大幅增加。
    3、提高多晶硅产量、节能降耗优势：
　　使用方硅芯对提高还原工序工艺水平十分明显，8×8方硅芯与φ8圆硅芯相比，表面积增加27%，加上线切时留下的线痕进一步增大表面积，使还原初始的多晶硅沉积速率有效提高。同时方硅芯可以方便生产多种尺寸规格，例7×7、8×8、10×10、14×14等，甚至可以更粗的，以利于提高初始的生长速度，从而缩短炉周期以提高产量降低还原能耗。以10×10的方硅芯与目前大多数厂使用的φ8圆硅芯相比大致可以提高生长速率3%左右，炉周期缩短近20小时，降低电耗2万度。各厂使用的还原炉不同，生产工艺参数也不尽相同，可以选择适合自身特点的方硅芯规格以达到最佳的效果。
　　4、其它优势：
    圆硅芯直径控制是靠拉速和温度调节来达到的，自动控制较困难，操作工劳动强度大，技术要求高，硅芯尺寸公差也较大，导致使用中电流密度不均匀，容易产生亮点，会熔蚀硅芯而产生倒炉。装硅芯时因粗细不匀在卡瓣中为点接触不容易装垂直，多晶硅长粗后承重偏心产生倒炉。圆硅芯搭桥横梁是搁放在开槽中的，接触面小，高压击穿和大气流时容易跌落产生倒炉。多晶硅生产中发生倒炉是十分麻烦的事，要重启拆炉、开炉启动程序，损失较大。由于方硅芯截面积大强度高，承载能力大，同时方硅芯尺寸标准，卡瓣装夹垂直度容易保证，搭桥用圆锥榫连接十分可靠，使还原炉倒炉率大大下降，如果排除电气和工艺原因使用方硅芯基本上可以做到0倒炉率。
    四、我公司的优势：
    无锡中硅科技有限公司成立于2007年4月，注册资本为3000万元，公司位于江阴市青阳镇，2007年10月试生产，12月正式投入生产。公司主要产品有太阳能级单晶硅棒、硅片、单晶炉和硅芯切割设备、方硅芯、大尺寸准单晶籽晶等。目前我公司是国内唯一可以生产硅芯切割设备和硅芯的企业，多线硅芯切割机是我公司参与研发投资并拥有唯一经营销售权的公司。由于多晶硅市场行情影响，我公司在2011年下半年开始，将工作重心转向硅芯的生产和销售，目前市场占有率达90%以上，江苏中能硅业科技发展有限公司目前每月向本公司采购15*15大尺寸方硅芯3万支，后续随着我公司产能的扩大，将全部用方硅芯替换圆硅芯，在成本决定企业命运的当下，为中能大幅降低了生产成本，带来十分可观的效益。
    五、硅芯的规格：
   目前我公司提供的硅芯的技术规格为：
   截面：15*15mm±0.2mm
   长度：2400mm --2800mm根据客户要求±2mm
   垂直度：2400mm长度不超过1mm
   电阻率：5点平均电阻率不低于10Ωcm,小于100Ωcm