高纯四氯化硅供应系统在光纤预制棒生产中的应用 -李东升
太阳能电池是一种将光能转化成电能的器件
太阳能电池是一种将光能转化成电能的器件，它主要是由多晶硅构成的，也就是一种硅的化合物构成的。
而普通电池是一种将化学能转化成电能的器件，它内部含有重金属，而也正是这些重金属物质会对环境造成巨大的危害。
所以相对来说，太阳能电池对环境的影响要小一些。
整个光伏产业链主要包括多晶硅原料、太阳能电池、集成组件、发电工程四个相关的行业，其中多晶硅和太阳能电池是重中之重。
有人说，光伏产业是一个高耗能、高污染的产业，因为现在大部分光伏电池都是用多晶硅制造的，而多晶硅的生产过程就是工业硅不断提纯的过程，这个过程不但能耗高，而且排出的尾气和废料对环境污染严重。
“其实这是大家对光伏产业的一种片面认识，这只是一种无奈的…中国特色‟。
” 孟宪淦表示。
目前世界上生产多晶硅的方法主要有改良西门子法、硅烷法和流床法三种方法。
据记者对目前国内已经有产出的5家企业调查发现，几乎无一例外地都是采用改良西门子法浙江大学硅材料国家重点实验室杨德仁教授表示，西门子法是德国西门子(Siemens)公司于1954年发明的，又称三氯氢硅氢还原法，是广泛采用的高纯多晶硅制造技术，国际上生产高纯多晶硅的主要大公司都采用该技术。
是用氯和氢合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。
“其实目前国外的很多多晶硅的生产企业已经解决了多晶硅生产过程中的高污染和高耗能的问题。
”孟宪淦告诉记者，改良西门子法的原理很简单，也完全被国内的一些企业所掌握，但是其中涉及到的一些关键步骤和工艺技术，比如尾气和废料的循环利用、减低能耗等等技术国内却被全面封锁，所以只能靠国内企业自己摸索研究。
近年来，为降低高纯硅的生产成本，Hemlock、Tokyama、Wacker等企业都在研发新型反应器、汽沉积法、流态化床法等新设备和新工艺，以提高其产品的市场竞争力。
而国内的高纯硅生产基本上都是采用改良西门子法，采用俄罗斯技术，且尚未突破还原炉加压还原等核心技术，生产成本远高于国际先进水平。
光纤用四氯化硅生产现状及标准分析
3I ndustry development行业发展光纤用四氯化硅生产现状及标准分析李素青（有色金属技术经济研究院有限责任公司，北京 100089）摘 要：随着智慧城市、大数据以及5G 通讯的发展，我国对光纤的需求将保持高速增长，光纤用四氯化硅是光纤预制棒的主要原料，多晶硅企业发展光纤级四氯化硅具有广阔的市场。
本文简要阐述了光纤发展近况，重点介绍了光纤用四氯化硅的生产现状，对国内已发布和在研的四氯化硅产品标准进行了简要分析，并结合标准内容给出了光纤用四氯化硅杂质元素含量的要求，最后对完善四氯化硅标准配套情况及改进四氯化硅提纯工艺提出了几点建议。
关键词：四氯化硅；光纤预制棒；光纤中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）21-0003-2收稿日期：2020-11作者简介：李素青，女，生于1985年，汉族，内蒙古人，硕士，高级工程师，研究方向 ：有色金属材料标准化。
据前瞻产业研究院发布的《中国光纤光缆行业发展前景与投资预测分析报告》统计数据显示，2011年以来，我国光纤光缆产量呈现逐年增长的趋势。
2011年中国光纤光缆行业产量仅仅为0.95亿芯公里。
到了2016年中国光纤光缆行业产量增长突破2亿芯公里，2011～2016年期间年均增长率高达16.7%。
预计2020年国内整体光纤的需求将达到3.48亿芯公里规模，2021年全球光纤需求将超过6.1亿芯公里，2023年将增长到6.5亿公里。
未来五年，全世界要铺设的光纤长度约30亿公里。
本文主要阐述光纤用四氯化硅的生产现状，并对相关标准进行分析。
1 光纤用四氯化硅技术要求光纤用四氯化硅是光纤预制棒的主要原料，其占光纤成分总量的85%～95%［1］。
作为生产光纤的主要原料，四氯化硅中的金属离子杂质是引起光纤损耗的关键因素。
高纯四氯化硅分为外包层级和纤芯级两个级别，为了严格保证光纤产品质量，用于制造光纤预制棒的四氯化硅中金属杂质含量应满足表1的技术指标。
光纤 四氯化硅
光纤是一种用于传输信息的重要材料，而四氯化硅（SiCl4）是光纤的一种常见原料。
光纤质量的好坏直接影响到传输的信号质量，因此必须对光纤中的金属杂质进行检测和分析。
光纤中的金属杂质通常会引起光纤的损伤和传输性能的下降。
金属杂质包括铁、铜、铝等多种金属，这些金属在光纤中存在的形式有离子态、微粒态等。
光纤级四氯化硅是一种重要的化工原料，可用于生产光纤预制棒和光纤等光通信产品。
在光纤预制棒的生产中，四氯化硅主要用于制备二氧化硅芯层和包层。
如需更多与光纤、四氯化硅相关的信息，建议咨询通信或化学领域专业人士。
中国四氯化硅产业简析
中国四氯化硅产业简析一、四氯化硅产业概述1、产业概述四氯化硅按纯度可以分为工业级四氯化硅与高纯四氯化硅，高纯四氯化硅是光纤通讯、集成电路、气凝胶制造生产不可或缺的基础原材料，按照下游需求可以分为半导体级（VAD 级、OVD级、PCVD级等）四氯化硅和电子级四氯化硅。
半导体级四氯化硅主要用于生产光纤预制棒；电子级四氯化硅是一种高端半导体用电子化学品，主要用于薄膜沉积与蚀刻工艺，随着半导体制程的先进化，电子级四氯化硅被使用于逻辑芯片与存储芯片等领域，目前主要依靠进口。
高纯四氯化硅分类情况高纯四氯化硅分类情况资料来源：公开资料整理高纯四氯化硅产品生产工艺流程图高纯四氯化硅产品生产工艺流程图资料来源：三孚股份公报，产业研究院整理二、四氯化硅产业链工业上生产四氯化硅的方法包括工业硅氯化法、碳化硅氯化法、硅铁氯化法、硅藻土氯化法。
目前主要以工业硅氯化法为主，但该工艺能耗大、成本高。
目前四氯化硅主要用于制备气相白炭黑、正硅酸乙酯、光纤预制棒和三氯氢硅等。
其中，三氯氢硅是制备多晶硅的原料，通过四氯化硅制备三氯氢硅可以实现物料闭环循环利用，在多晶硅价格高企的背景下，是目前四氯化硅最主要的去向。
多晶硅副产物四氯化硅来源流程图多晶硅副产物四氯化硅来源流程图资料来源：公开资料整理近年来随着我国光伏行业和半导体行业的迅速发展，市场对多晶硅的需求不断增加，尽管多晶硅产量亦不断增加，但当前供需格局良好，多晶硅价格持续上涨，保利协鑫、大全能源、新特能源等多家行业巨头宣布继续扩产，多晶硅扩产有望带动带动四氯化硅供应大幅增加。
2015-2022年中国多晶硅产量走势2015-2022年中国多晶硅产量走势资料来源：中国光伏协会，产业研究院整理三、四氯化硅产业现状1、产量就我国四氯化硅产量变动而言，随着整体四氯化硅下游需求和光伏预制帮、半导体等高纯四氯化硅需求持续提升，我国四氯化硅整体产量持续扩张，数据显示，截止2021年我国四氯化硅产量达23万吨，较2020年同比增长6.72%，复合增长率8%左右。
中天科技触发我国光纤预制棒应用前景裂变
Communicatio ns World Weekly承载传送依靠完全自主知识产权，中天科技打通光纤光缆产业链经脉。
李志石中天科技触发我国光纤预制棒应用前景裂变5月25日，中天科技精密材料有限公司总经理沈一春博士向媒体披露，中天科技具有完全自主知识产权的光纤预制棒试生产成功，并已开始投入批量生产，标志着我国光纤预制棒完全受制与人的局面将打破，应用前景将发生深刻变化。
总投资11.8亿元的中天科技预制棒项目，将实现年产能400吨目标，是国家“863”计划的重点项目。
沈一春博士介绍说，中天科技在实施该项目过程中，申请了9项发明专利、7项实用新型专利。
该项目的实现，完善了中天科技的光纤光缆产业链，进一步增强了企业核心竞争力，将带来更大的经济效益和社会价值。
光纤预制棒的机遇光纤预制棒是光纤光缆生产最“源头”项目。
近年来在三网融合、物联网等新一代信息技术产业快速发展的带动下，我国光纤光缆需求十分旺盛，必然构成了对光纤预制棒的迫切需求。
但是由于我国企业在目前广泛使用的单模光纤预制棒生产方面比较薄弱，其生产效率、成本控制和制造工艺等方面与国际先进水平相比还有较大差距，尚不能满足市场需求。
专家分析认为，光纤预制棒的国产率低，反映出我国在预制棒技术水平、产业化水平与国际先进水平之间还有一定差距。
国内公司采用的大都是新开发的技术，在规模生产方面还不够完善，光纤预制棒的合格率不高。
此外，国内企业制造预制棒的主要原材料大部分依赖进口，包括石英玻璃衬底管/套管、氦气、四氯化硅、四氯化锗等，原材料涨价对降低预制棒的生产成本、参与国际市场竞争造成瓶颈。
在这样的背景下，中天科技集团董事长薛济萍怀着强烈的产业报国思想，组织起强大的技术团队，花巨资引进国际一流汽相轴向沉积法（VAD ）技术和关键设备，投入光纤预制棒的研发。
中国企业的突破光纤预制棒是光纤光缆的最源头，具有最高的技术含量。
目前，处于后道的国内光纤丝企业有14家工厂，共有255条拉丝生产线，预计年产量为3万芯公里。
光纤预制棒产业的发展与思考-长飞
推动技术创新与产业 升级
技术创新是推动光纤预制棒产业持续 发展的关键。光纤预制棒生产企业需 要加大研发投入，加强技术创新和产 业升级，提升产品的品质和性能，满 足不断变化的市场需求。同时，积极 推动新技术、新工艺在产业链中的应 用，提高生产效率和降低成本。
拓展国际市场与合作
随着全球化进程的加速推进，国际市 场对于光纤预制棒的需求不断增加。 光纤预制棒生产企业需要积极拓展国 际市场，加强与国外企业的合作与交 流，提升品牌知名度和国际竞争力。 同时，关注国际市场的变化和发展趋 势，及时调整产品结构和市场策略， 抢占国际市场份额。
要点一
5G通信网络建设
5G通信网络具有高速率、低时延、大 连接等特点，对光纤通信提出了更高 的要求。光纤预制棒作为5G通信网络 的基础材料，需要不断提升品质和性 能，满足5G通信网络建设的需求。
要点二
数据中心建设
数据中心是云计算、大数据等新兴产 业的重要基础设施，对光纤通信的传 输速度和稳定性有着极高的要求。光 纤预制棒生产企业需要积极拓展数据 中心市场，提供高品质、高性能的产 品和服务。
产品质量
长飞公司采用国际先进的生产工 艺和设备，确保光纤预制棒的高 品质和稳定性，赢得了客户的广 泛认可。
市场份额及品牌影响力
市场份额
长飞公司作为全球领先的光纤预制棒 制造商之一，其市场份额在国内外市 场上均保持领先地位。
品牌影响力
长飞公司凭借卓越的产品品质、技术 创新和市场表现，赢得了广泛的品牌 知名度和美誉度，成为全球光纤通信 行业的领军企业之一。
件和实验环境。
丰富的研发经验
长飞公司的研发团队在光纤预制 棒领域拥有多年的研发经验和技 术积累，能够快速响应市场需求， 为客户提供个性化的解决方案。
光纤预制棒及其制备方法、光纤[发明专利]
![光纤预制棒及其制备方法、光纤[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/de97ffc55901020206409c39.png)
专利名称：光纤预制棒及其制备方法、光纤
专利类型：发明专利
发明人：黄苏梅,杨锦宁,李静,陈克胜,陈思烁,林宏伟,杜明,梁婷,洪晓钦,陆小松,刘朋飞,吕凤萍,张瑞斌,张莹莹申请号：CN202011289065.4
申请日：20201117
公开号：CN112390525A
公开日：
20210223
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种光纤预制棒及其制备方法、光纤，制备方法包括以下步骤：提供反应管，将所述反应管安装于化学气相沉积设备上，并使所述反应管处于旋转状态；向所述反应管内通入四氯化硅和氧气，将加热源的温度调节至1500±30℃，对所述反应管进行加热，以100～130mm/min的速度正向移动所述加热源并重复该步骤多次；向所述反应管内持续通入所述四氯化硅和氧气，将所述加热源的温度调节至1600±30℃，以100～130mm/min的速度正向移动所述加热源并重复该步骤多次，所述四氯化硅和所述氧气反应生成的二氧化硅逐步沉积，在所述反应管的内壁形成疏松层；通过液相掺杂，在所述疏松层内掺入稀土元素离子和铝离子；将所述反应管熔缩，制得光纤预制棒。
申请人：大族激光科技产业集团股份有限公司
地址：518000 广东省深圳市南山区深南大道9988号
国籍：CN
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高纯四氯化硅供应系统在光纤预制棒生产中的应用李东升，龚小雷(上海正帆科技有限公司，上海201108)[摘要] 高纯四氯化硅是光纤预制棒生产的重要原料。
其输送系统的稳定性直接影响到预制棒的质量。
本文从系统设计的角度，论述了如何将高纯四氯化硅液体安全、精确和稳定地供应到蒸发器内。
同时也介绍四氯化硅经加热蒸发，将蒸汽输送到沉积炉内参与气相沉积反应的工艺控制要点。
[关键词] 光纤预制棒；精密输送；气相沉积Application of High Purity SiCl4 Supply System forOptical Fiber Preform Tube FabricationLI Dong-sheng, GONG Xiao-lei（Shanghai GenTech Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）Abstract：High purity SiCl4is important raw material for optical fiber preform tube fabrication. The stability of its supply system will influence the preform tube quality. According to system design concept, how to supply SiCl4 safely, precisely and stably to vaporizer is discussed. Process control key points for SiCl4 heating and vaporization, vapor delivery to deposition furnace is also introduced.Key words：optical fiber preform tube；precise delivery；vapor deposition随着3G网络以及光纤到户（FTTH）的不断普及，光纤成为全球通信技术发展的主要趋势。
这促使我国光纤制造工艺在近几年得到了突飞猛进的发展。
但目前我国光纤预制棒近90%依赖进口[1]。
特别是外包层，因受到沉积效率较低等技术困扰，制造成本一直居高不下。
四氯化硅是生产预制棒的主要原料，占预制棒成本的30%[2]。
光纤用高纯四氯化硅主要通过多晶硅副产物经二级精馏提纯获得。
1供液系统的整体设计和规划常用的预制棒制造工艺主要有OVD、V AD、MCVD、PCVD四种[3]。
高纯SiCl4液态原料主要用于沉积预制棒的芯层和包层。
影响原料沉积质量的主要关键因素有原料的压力波动、流量波动及温度波动，而压力、流量和温度三者本身又是密切相关的。
导致压力波动的主要因素在于液态原料供应（供液）系统的设计，其不仅包括了管网系统设计也包括了设备本身的配置，这两者在供液系统整体规划和设计中起到决定性作用。
目前整个供液系统的配置方式主要有两种：a.通过精馏工艺直接提纯原料后将高纯的原料通过充装设备储存在收集罐，经过泵等部件将原料输送至分流设备，再配送至工艺设备的各个使用点（如图1）。
b.比较普遍的方式是外购高纯SiCl4原料，通过供液柜、分流装置输送至使用点（如图2）。
未来的趋势将会是直接采用工业级的原料，经现场提纯制备高纯SiCl4来满足预制棒制造工艺的需求，这将大大降低预制棒制造成本。
ISO-BISO-A图1 采用屏蔽泵供应的SiCl 4流程图 OVD VMB PN2PN2ISO-A ISO-B LDS图2 采用氮压供应供应的SiCl 4流程图2 管网系统设计的目标供液系统中的管网系统设计的目标是通过合理优化管道走向及设备布置，尽可能减少压力损耗，同时便于系统维护及后期改造，最终满足工艺对于压力和流量的需求。
流量是供液系统设计先决考虑的部分，尤其是SiCl 4系统，其在各种预制棒制造工艺中生产的用量都非常大，因而一定要选择合适管径的管道、管件及足够流通量的阀件；其次液体的输送尽可能保证在原料罐、设备（源设备、分流设备、缓冲装置及工艺设备）在同一层高上，管道走向尽量减少弯头数量、避免U 型弯的存在（因为U 型弯容易导致系统维护时液体难于置换干净，另外也是原料中颗粒等不纯物累积的地方）。
3 输送设备配置的要点输送设备是整个供液系统的关键，其主要包括屏蔽泵、源供液柜、分流（缓冲）装置、汽化精密流体控制设备及相关辅助设备组成。
3.1 屏蔽泵屏蔽泵的电动机和泵封闭在一个腔内，电动机转子浸泡在输送介质中，定子被焊接内套与介质隔开[4]。
四氯化硅直接在泵和屏蔽电机中循环流动无需机械密封屏蔽隔离，实现了超低噪音和零泄漏流体境界。
屏蔽电泵最大的特点是无泄漏。
屏蔽电泵适应性能好，可以采用卧式、立式、逆循环等多种结构形式，以满足现场需要。
由于屏蔽电机采用滑动轴承和无冷却风扇，故运转时噪音低。
可配置智能轴承检测器，检查轴承磨损、电机转向、缺相、短路等异常情况。
3.2源供液柜源供液柜由原料罐和带自控功能的输送面板组成，其原理是将高纯氮气作为压送气源压入原料罐，将液态原料压出。
源供液柜的设计首先要避免死区的存在，这是因为输送设备在使用过程中需要经常进行换源等维护操作，过多的死区将会使系统很难被置换干净，且在系统拆卸时还会造成安全问题及双向污染问题。
另外，需要配备氮气压送支路及吹扫支路，并配有文丘里抽真空装置作辅助吹扫置换用。
吹扫氮气和压送氮气的纯度要求必须是7 N级别以上的高纯氮气，水分含量在100×10-9以下，因为水分会直接和原料反应，生成酸性气体和颗粒物（SiO2），而颗粒物是导致部件失效的主要物质。
其具体反应方程如下：SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl↑此外，为了保证工艺的不间断性，设置一用一备的功能。
特别是SiCl4，原料罐往往使用ISO槽车，重达20 t，需要配备带信号输出的电子秤作为空瓶满瓶切换的逻辑依据，实现源的不间断供应。
设备的自控程序是设备稳定工作的核心，建议采用全自动供应及维护功能的程序作为设备运转的软件，以便大大提高工作效率，避免人工操作带来的繁琐及误操作。
3.3分流（缓冲）装置分流（缓冲）装置在输送系统内也十分重要。
SiCl4系统，无论是芯层沉积还是包层沉积，原料的用量都很大，而芯层沉积对于流量控制的要求更为苛刻。
若管网系统本身结构存在压损及相关外部因素未能保证压力及流量的恒定，往往会导致沉积流量不稳定，密度不均匀，而造成产品的失效。
因此，建议一般在分流装置上配有缓冲罐，来缓解管网系统缺陷造成的压力、流量的不稳定，以保证末端使用点原料的恒定输送。
多支路的设计可满足多台沉积设备的使用需求，同样在分流装置中也需要配备氮气等压送及吹扫支路，并配有文丘里抽真空装置作为系统的辅助组成，实现装置对于维护置换的需求。
合理逻辑结构的控制程序是系统稳定工作的保障技术措施。
3.4汽化装置汽化装置是工艺设备的核心组成部分，是整个系统能否生产出合格预制棒的核心设备，将直接影响到沉积后预制棒的光学性能。
传统工艺是采用携带载气鼓泡的方式输送SiCl4。
由于上述方式首先需要控制载气的品质和流量，载气品质的差异和流量控制的不稳定将直接导致无效沉积，而且载气进入SiCl4后携带出气态的蒸汽是不同介质的混合，使蒸汽的密度往往无法保证均匀一致，也会导致沉积失效，因而后来业界认为这种输送方式不精确。
现在我们采用直接加热原料产生蒸汽的方式来进行沉积。
汽化装置由原料加热罐、输送阀组面板、高精度质量流量计、加热系统及控制系统组成。
加热罐原料的供给必须是实时不间断的，保证原料加热罐内原料液位的恒定，从而保持蒸汽密度的均匀[5]。
这可以依靠自动补液系统及液位控制装置来实现。
另外原料加热罐内的加热装置必须是耐高温的加热材料，且配有温度测量装置并能回馈信号，这样可以使加热装置在液体超温时停止加热，保证系统安全。
输送阀组面板结构的搭配也是系统稳定工作和便于维护的关键组成，必须有吹扫维护支路及文丘里抽真空辅助装置。
面板的设计必须紧凑简洁，避免积液死区。
高精度的质量流量计必须选用耐高温的产品，且有良好的响应及回馈，毕竟质量流量计输送的流量是直接关系到预制棒合格与否的关键参数。
加热系统由PID参数控制，通过温度传感部件的温度回馈可以精确地控制加热原料的温度，保证原料加热温度的恒定。
控制系统是装置工作的先决条件，其对自控工程师的编程能力有很高的要求，而且程序的前期调试、各种功能检测和错误修复等工作需要长时间重复进行，以保证系统长时间工作的稳定、可靠。
整个汽化装置与原料接触的所有部件必须有电伴热系统加热，防止蒸汽的液化导致部件的失效。
由于原料不纯、压送气体水分含量偏高、系统设计缺陷、系统频繁拆卸暴露等都是导致部件失效的主要原因，这些情况直接导致质量流量计的堵塞、阀门的内漏和系统的污染，因此我们要从整体上去考虑系统布局，避免设计缺陷和原料纯度问题所带来工艺的不稳定性和故障。
4 结论预制棒制造采用化学汽相沉积工艺，这对于介质和输送系统的要求极高，是属于半导体级高纯输送系统；预制棒制造工艺本身对于原料输送（供液系统）的精度要求也非常苛刻。
因此从系统规划开始就需考虑，应根据工艺路线、规划产能、设备数量选择合适的系统方案。
原料输送本身是一个由粗到细、有简单到复杂的过程，需要从输送路线的各个环节去分析问题并提出有效方案，而每个环节都环环相扣，任何一个环节出了问题都将给工艺带来故障，甚至使工艺失效，无法做出合格产品。
系统设计过程对于设计人员和设计团队有极高的要求，整个团队需要精通化学品的理化性质、流体系统设计的基本概念、纯度的控制、材料性能、自控原理、热力学原理等多方面知识，才能设计出满足工艺要求的精密流体输送系统。
总之，精密流体输送系统的设计跟预制棒本身各种参数的要求互为因果，相互制约。
精密流体输送系统将在光纤预制棒工艺中将扮演着极其重要的角色。
这也是预制棒制造技术发展和沿革过程中光纤预制棒工作者的重要工作。
[参考文献][1] 朱君灏，90%依赖进口预制棒产业化瓶颈急需打破, 中国电子报[J]. 2009年7月28日[2] 朱君灏，原材料本地化新工艺路线：光纤预制棒产业突破口，中国电子报[J]. 2008年7月22日；[3] 唐仁杰，光纤预制棒发展的回顾与展望，电子信息材料[J]. 2006年第2期（总第2期）[4] 何可禹，屏蔽电泵的可靠性和安全性，通用机械[J]. 2006 年第03期[5] 李东升，新型蒸发器在光纤预制棒生产中的应用，光纤与光缆及其应用技术[J]. 2009年第2期。