硅烷流化床法制备颗粒多晶硅

流化床颗粒多晶硅技术介绍
Steve Chu, Ph.D.
Sunnyside Technologies, Inc
2010 Hennepin Ave E, Minneapolis, MN 55114
steve.chu@
多晶硅生产关键技术
多晶硅生产实际上都分成两大步，第一步是将工业硅（纯度为98-99%）进行气化，经多
级提纯得到气体如三氯氢硅(SiHCl
3)、二氯二氢硅、或硅烷(SiH
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)。

第二步，将上述高
纯气体还原成高纯硅（多晶硅）。

图1多晶硅还原技术路线
还原过程是多晶硅生产中的核心步骤，直接影响多晶硅的质量与成本，也反映了一个国家在此领域的综合技术水平。

目前国际上多晶硅生产主要工艺有：
1.利用钟罩式还原炉制成棒状多晶硅，即改良西门子工艺，生产的多晶硅约占
世界总产能的85％以上。

2.利用流化床反应器制成颗粒状多晶硅，流化床还原技术以其节能高效等优势
已占越来越多的份额。

棒状多晶硅还不是最终产品，需要破碎成块状供单晶
硅生产商使用。

而粒状多晶硅由于可以实现连续投料，单晶硅的成本得到降
低，因此粒状多晶硅是单晶硅制造商的最终选择。

3.由于现行大多制气和还原工艺产生大量四氯氢硅，而四氯氢硅必须经过氢化
反应生成三氯氢硅之后才能更为有效的利用。

目前多晶硅生产厂商特别是中
国国内厂商面临大量四氯氢硅库存，有待氢化的问题，因而高效低成本四氯
氢硅氢化也是重要技术壁垒之一。

西门子方法生产多晶硅的一个主要问题就是投资大能耗高，每生产一公斤多晶硅需耗电几十到两百度，与之相比，流化床还原生产颗粒多晶硅具有转换效率高、耗电少等
特点。

另外，颗粒多晶硅也是电子与太阳能产业中新的应用所必需的原料，如在拉制大直径单晶硅时连续加料以及生产太阳能电池所用硅薄带和连续铸锭都需用颗粒多晶硅。

发明西门子法的西门子公司甚至还将自己工艺生产的棒状硅熔化成滴生成颗粒硅(美国专利: 4,532,090)，可见很早人们就意识到颗粒硅的重要性。

氢化技术目前有两类, 即热氢化和冷氢化。

热氢化实质为高温西门子还原的逆过程，能耗高，转换效率较低；而”冷”氢化属高压中温操作，对设备材料和加工要求高。

目前国外只有三家工厂家采用此类技术，国内还没有非常成功的报道。

新一代多晶硅的工艺技术
在过去几年中，国际上多晶硅厂商争相开发完善新流化床还原技术：除美国MEMC公司已有千吨级的生产线外，美国REC（Asimi）、德国瓦克等公司也拥有此技术，正准备推广到生产中以降低成本提高竞争力。

另有两个美国公司（包括，Sunnyside Technologies, Inc）生产过程中不断革新，创造，对流化床还原反应器和四氯化硅氢化技术作出重大改进使自身的技术具有更强的优越性和竟争力。

并应用于两个新建工厂。

技术特点：流化床技术与当前最常用的改良西门子法相比，具有如下优点
占地少，投资较小，建设期短；
生产速度快，效率高；
生产过程节能，耗电量少；
可连续，无间断生产；
产品质量稳定，并可实时检测；
生产过程实现模块式运行，可根据市场需求调整生产规模。

图二，硅烷silane流化床颗粒多晶硅技术平台
技术平台：目前流化床还原技术有基于硅烷和三氯氢硅的两个技术平台。

在这两个平台中，氢化和还原是核心。

图一所示的硅烷流化床技术路线，它包括氢化，岐化和流化床还原。

目前新硅烷流化床技术多晶硅生产技术以REC为代表，这种技术的工艺路线由图二所示利用工业硅与四氯化硅氢化生成三氯氢硅然后到正硅烷（silane）。

利用本工艺加流化床还原多晶硅生产全部电耗在15度/公斤。

其多晶硅生产成本能控制在20美元/公斤左右，由于拥有此先进技术，REC准备2010年再度在加拿大建厂生产多晶硅，预计2012年建成。

图三，三氯氢硅流化床颗粒多晶硅技术平台
图三，给出了直接以三氯氢硅为原料的流化床颗粒硅技术，相对于图二的工艺，三氯氢硅歧化的工艺部分被省去了，这样前段制气工艺被简化了，但还原工序的难度有所增加，另外，能耗和尾气处理的难度都增加了，但是比较西门子法整体上还是有极强的优越性。

本报告将就这两种技术与改良西门子法进行一综合比较，以便发现其中的工艺特点、优势和可以采用与改进的地方从而降低多晶硅生产成本，提高产品质量和综合竞争优势。