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我国多晶硅生产现状与发展
发布时间:2011-08-4
一、概述
    世界正从工业社会向信息社会过渡, 信息技术已成为促进社会发展和进步的关键技术,信息化程度的高低已成为衡量一个国家现代化水平的标志。
    微电子技术是信息技术的基础和关键技术, 集成电路又是微电子技术的核心, 一代又一代更为优秀的集成电路的出现, 推进着全球经济一体化的进程,而半导体硅材料则是集成电路最重要的、不可替代的基础功能材料, 多晶硅则是集成电路大厦的“基石” 或“粮食”。
二、多晶硅生产现状
    1、我国多晶硅生产现状
    我国多晶硅工业起步于50年代,60年代中期实现工业化生产,70年代初曾一度盲目发展, 生产厂发展到20余家。生产工艺多采用传统西门子法,由于技术水平低、生产规模小、产品质量差、消耗指标高环境污染严重、生产成本逐年增加等原因, 多数生产厂难以维持生产而停产或倒闭, 生产能力急剧萎缩, 与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急骤增加极不协调。
    目前国内多晶硅生产规模太小,产能不断萎缩, 厂家分散, 工艺技术落后, 装置陈旧, 消耗高, 环境污染严重, 生产十分艰难,1999年只生产了46t, 仅占世界产量的0.4% , 远不能满足国内市场的需要。如不积极组建现代化的、符合经济规模的大多晶硅厂, 将制约我国生产符合集成电路和分离器件要求的高档次的单晶硅和硅片。多晶硅对我国半导体工业的发展至关重要。
   2、国外多晶硅生产现状
    多晶硅生产主要集中在美、日、德三国, 世界市场由7家公司占有, 1 998年多晶硅产量为16200t,其中德山曹达、黑姆洛克、瓦克三家公司占产量的63% 。
    目前生产的多晶硅能满足集成电路及功率器件发展的技术要求, 用户不经腐蚀、清洗, 直接装炉。多晶硅质量指标好, 产品稳定, 多晶硅N型电阻率都在1000Q·cm以上。改良西门子法技术的完善与发展, 使原辅材料及能耗大为降低; 多晶硅生产的主要工序都应用计算机控制、设备装备水平较高。
三、我国多晶硅市场需求
    1、多晶硅严重短缺
    在改革开放形势下, 国内市场是世界市场的一部分, 两者有相同之处, 但也有差别。国内集成电路的市场正是如此, 差别在于国内集成电路市场需求增长比国外更为迅速,1991年国内市场需求量为6.5亿块, 1 996年增至67.8亿块, 五年间年平均增长率达60%, 1999年12 块, 年平均增长率21% 。
    为适应国内外市场的需要, 国内单晶硅生产及市场销售大幅度地增长, 一改我国过去十几年来的徘徊局面, 单晶硅产量从1991年的60.9t增加到1999年的215t, 9年增加154.1t, 年均增长率达10.8% , 与此相适应, 多晶硅需求量大幅度地增加。 需求的缺口较大,1995年一1999年进口多晶硅的数量已大大超过国内生产量。
    2、2005年及201 0年市场及预测
    为适应国内外单晶硅市场的需要, 近年来, 国内厂家相继扩产或新建生产线, 有的正在实施中,单晶硅的生产能力和产量将会大幅度地增加, 但多晶硅供不应求的局面仍将会持续下去。据专家预测,~U2005年国内多晶硅年需求量约756t,201 0年国内多晶硅需求量1 302t, 有较大的市场发展空间。
四、中国周边她区多晶硅生产与需求
     1、日本多晶硅生产与需求
    全世界约有30家硅片制造公司, 生产集中在美、日、德、韩等国家, 其中76% 的市场份额控制在5家跨国公司手中。而日本的信越、住友、三菱、小松等公司的硅片市场占有率之和在45% 以上。日本多晶硅的消费量约占世界总产量的50% , 除自产一部分外, 其余部分需从国外进口。日本每年需进口多晶硅2200t以上, 最多进口达4850t/a, 每年进口多晶硅量约占其用量的50% 。
    2、亚太地区多晶硅供需现状
亚太地区包括韩国、马来西亚、新加坡、印尼、中国的台湾和香港, 生产硅片的厂家有PHC公司、Siltron公司、韩国电子公司、汉磊公司、Taisil公司、小松公司、三菱公司等等, 已具备6.4亿平方英寸以上的硅片年生产能力, 每年需多晶硅2458t。根据各公司的扩建计划, 预计今后经扩建后硅片生产能力将可能新增5.8亿平方英寸, 这样每年需多晶硅将达~U4686t。该地区没有多晶硅生产厂, 所需多晶硅全部依赖进口。中国若有多晶硅出口, 将有良好的地理优势。
    3、国际市场需求与发展
       目前,全球多晶硅市场供大于求, 但随着以计算机为核心、以网络为传输媒体的网络新经济时代来临, 以及新型清洁太阳能的不断发展, 世界半导体市场将以高速发展, 硅片需求旺盛。专家预测,多晶硅需求将以每年5% 的速度增长, 到2005年,多晶硅用量将达28600t, 目前年产22400t产能将满足不了消费要求。
五、我国多晶硅技术发展
   1986年, 原中国有色金属工业总公司和各级政府, 在积极引进多晶硅生产技术的前提下, 同时决定走自行研究开发多晶硅生产技术的道路, 组织北京有色冶金设计研究总院与峨嵋半导体材料厂(所)共同研究开发。为了从根本上解决多晶硅生产中物耗高、能耗高、成本高、污染严重及难实现规模生产问题, 研究开发了“导热油循环冷却技术、大型节能还原炉、SiCI4氢化和还原尾气干法回收”等4项关键技术。
    1987年, 首先突破了导热油循环冷却技术,为开发大型节能还原炉创造了条件, 随后多晶硅产品直径 100mm的6对棒还原炉投产, 进而导热油循环冷却技术与大型节能还原炉配套投产, 使多晶硅产品的能耗大幅度降低, 多晶硅还原生产中80%一90% 热能可以得到回收。与此同时,SiCI 氢[wiki]化工[/wiki]业性试验取得成功。
    1996年, 在引进技术条件过于苛刻, 多年努力难以实现的条件下, 国家计委及原中国有色金属工业总公司支持, 由北京有色冶金设计研究总院与峨嵋半导体材料厂合作,用已取得的多晶硅生产技术成果, 利用峨嵋半导体材料厂现有条件, 建成一条1OOVa规模的多晶硅工业性生产示范线, 形成完整的改良西门子工艺系统。主要工艺过程包括Sil—Cl3合成、SiHCI 氢化、SiHCI3提纯、SiHCl3还原、多晶硅后处理、还原炉尾气干法回收等, 其特点为闭路循环系统, 全部回收各环节的尾气, 全面解决了传统西门子法生产多晶硅的过程中存在的物耗高、能耗高、环境污染严重等问题。
核心技术有如下几项:
(1)sich氢化
    SiCI 氢化技术系统要求在较高温度和压力的条件下, 将SiCl 加H2转化为SiHCI3, 由设计院设计反应器,计算整个系统平衡,确定工艺条件,编写操作规程, 指导施工试车, 最后实验得到在一定温度和压力条件下,SiCI 一次转化率平均稳定在25% 以上。经一年多的稳定运行, 证明系统是安全、可靠的, 系统指标高于国外报导的一次转化率最大1 5%
的水平, 国内首次在1OOVa多晶硅生产系统中采用, 技术达到国际先进水平。
(2)还原炉尾气干法回收
    多晶硅还原尾气中的H2、HCI、SiHCI3、SiCI4等成分, 经加压、冷却到一定的条件后, 其中的SiHCI3、SiCI 被冷凝分离出来, 该混合物经分离塔后分别得到SiHCI3~DSiCI 。SiHCI3直接送还原系统生产多晶硅,SiCI4j~_氢化工序, 经氢化后转化成Si-He 3, 再经分离塔分离后得到SiHCI3, 也送还原工序生产多晶硅。压缩、冷凝后的不凝气体, 主要是H27DHCI, 在加压低温条件下, 通过特殊的分离工艺, 使H2、HC1分离出来, 无杂质、无水分的纯H ,返回还原工序重复利用, HCI送合成工序, 生产Si-HCI3。还原尾气干法回收可使尾气不接触任何水份, 将其中的各种成份一一分开, 不受污染地返回系统重复利用。
   还原尾气干法回收全部采用国产设备, 是我国自行研究、设计的首套投入运行的尾气干法回收装置, 其运行证明, 还原过程产生的尾气中各组分几乎100% 可以得到回收, 纯H 消耗从传统西门子工艺的~35m3/kg降至1.5m3/kg以下, 分离出的H2、HCI、氯硅烷等产品质量满足多晶硅生产要求, 全部返回系统使用, 且系统能够适应多晶硅生产能力的变化。
(3)导热油循环冷却技术
    还原炉中高温硅棒表面向炉壁辐射的热, 由还原炉夹套循环的导热油带出来, 高温热油经不同途径释放热能后,再回到还原炉夹套, 循环往复, 可回收还原过程80%-90% 以上的副产热能,保证了硅棒产品直径误差不超过数毫米。由9对棒大直径还原炉与导热油循环冷却技术构成的系统,使多晶硅产品直接电耗由传统西门子工艺的450kW h一500kW h/kg·Si降_~250kW h/kg·Si以下。
(4)大型节能还原炉
     9对棒大型节电还原炉生产多晶硅最大直径可达巾1 1 5mm, 生产区熔用多晶棒直径可控制在巾70mm~80mm, 硅芯长度1.5m, 单台年产量分别为23t及1 5t,是国内最大的还原炉, 填补国内空白, 基本符合大规模生产的要求。
以上技术, 于2000年元月通过国家有关部门组织的专家鉴定、验收。专家认为, 1OOUa多晶硅实验示范线的建成, 标志着我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权, 建设千吨级多晶硅厂就拥有了主动权, 从1O00Va多晶硅项目建设前期工作开始,直至项目投产、达产,都可根据我们自己的条件安排。由于知识产权为自己所有, 所以投资、效益、产品竞争能力等方面将会有更大的优势。当然,1O00Ua多晶硅的产业化, 不是1OOUa级简单翻10倍的关系, 有许多技术难题要进一步突破,在系统平衡、设备选择、试车、投产、计算机控制、网络化管理、市场开拓等方面有大量细致的工作要做, 是更高层次的技术创新, 是科学技术转化为生产力的集中体现,需要设计研究院与业主在新的起点上共同攻关完成。经过1OOt/a多晶硅的工业化试验研究, 我国已掌握改良西门子法多晶硅生产技术, 在此基础上,如能局部引进国外的先进技术和设备, 合作或合资建设一条至两条千吨级以上的多晶硅生产线, 满足市场需求, 将为我国信息产业的发展打下良好的基础,从根本上改变我国硅片生产用多晶硅原料长期依赖于人的局面。
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