多晶硅研究.docx
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多晶硅研究
多晶硅研究
低成本多晶硅精馏技术的前景以及半导体级多晶硅1988年的可用性
目录
内容提要
1、简介
2、多晶硅市场价格
a、多晶硅前景展望
b、精炼工业现状及规划
c、市场价格前景
3、能源部多晶硅精炼工艺调研
a、多晶硅精炼研究任务的历史
b、汉姆洛克半导体公司二氯甲硅烷化学气相沉积工艺
c、联合碳化公司硅烷法工艺
d、硅烷–多晶硅转化工艺
e、新的多晶硅精炼工艺
f、联合碳化公司和汉姆洛克半导体公司工艺生产多晶硅成本的盖然论分析
g、多晶硅产品的经济影响和前景分析
4、总结
5、参考书目
数据
2-1.每公斤多晶硅价格的加权平均值历史及预期（1982年，美元）
3-1.汉姆洛克二氯甲硅烷CVD工艺的流程图
3-2.联合碳化公司超纯多晶硅生产工艺的流程示意图
3-3.三种多晶硅精炼工艺的累计概率分配
表格
2-1.多晶硅材料全球用量的前景预测
2-2.半导体级多晶硅的全球用量，公吨
2-3.半导体级多晶硅全球用量的前景，公吨
2-4.半导体级多晶硅的全球产能，公吨
2-5.半导体级多晶硅的全球产能预测，公吨
2-6.多晶硅制造商内部的多晶硅用量，公吨
2-7.多晶硅内部用量的增长计划，公吨
2-8.原产地输送的多晶硅光伏电池系列的历史记录及前景预测
2-9.光伏电池系列所需多晶硅的历史用量及前景预测
2-10.低档多晶硅的加权平均价格，$/kg
内容提要
光伏电池可以将太阳光能转化为电能，在低价原料可用且使用自动化生产工艺的前提下，可以成为一种具有成本效益的巨大（上电网）能源。
光伏产业链最关键的原料就是硅（Si），美国能源部（DOE）就是基于此材料的发展而设定的其国际光伏项目的长期成本目标。
目前，光伏（PV）产业的发展取决于半导体级多晶硅材料的产量，但当前主要是用于集成电路、电子器件以及分立的半导体器件等。
大多数情况下，光伏产业所用的多晶硅是由半导体元件行业淘汰下来的多晶硅精炼而成的，其品级相对较低，因此价格也相对便宜。
这种依赖还会持续下去，知道由美国能源赞助发起的低沉本多晶硅精炼工艺可以商业化运行，并能为光伏产业提供低沉本的多晶硅原料。
自从1979年喷气推进实验室（JPL）的光伏项目分析和整合中心（PA&I）定期评估精炼多晶硅的产能以及新技术研发的状况。
硅材料前景展望的研究之前已经发布，公布了多晶硅精炼行业的现状，并对硅的产量进行了预测。
在1979年11月，一份调查（参考I）显示出多晶硅材料的缺口正在增大，因为半导体行业对多晶硅原料的消耗正在稳步地增加，但多晶硅产品的产能却没有相应增长。
这种原料短缺的情况会影响光伏产业的发展，因为这样会导致多晶硅材料价格过高，光伏产业无法承受。
该公开报告得到了多晶硅精炼行业的广泛认可，这第一次为他们提供了多晶硅材料供求现状，包括光伏行业目前及将来需求的一个整体概况。
多晶硅精馏行业发展缓慢的一个显而易见的原因，是因为他们担心美国能源部投资的发展低成本多晶硅产品项目可能会研发出有的显著成本优势的工艺，而传统的西门子法就失去了竞争优势。
正是这种担心导致了业内人士不愿意投资兴建新的西门子工艺装置。
鉴于新工艺的选择范围十分狭窄，仅限于联合碳化公司（UCC）的硅烷法和汉姆洛克的改良西门子法这两种，多晶硅精炼行业对于西门子工艺过时的担忧有所减轻。
多晶硅行业的竞争非常激烈，大家都在努力降低产品的成本，改良西门子工艺。
因此，对于现有装置中的西门子还原炉和TCS预制以及精馏工艺进行了大量改良。
这些都导致了成本的降低，特别是还原炉电耗的降低。
通过这些改良，大大提高了产出率和物料的使用效率。
在1980年11月，由喷气推进实验室（JPL）的顾问RemoPellin先生主持的多晶硅精炼行业调查（参考2）发现，多晶硅可用量已经开始变化，但是这些都是现货市场的价格出现大幅波动之前。
在1980年4月，多晶硅产品现货市场的报价已经高达$140/kg，而1980年现场市场的最低报价曾在$50/kg以下。
而在1982年12月和1983年1月进行的另一项多晶硅可用产量分析（参考3）则显示：
光伏和半导体行业多晶硅原料供应增长的趋势仍在持续之中。
该调查的总结如下：
1）根据行业自1980年经历的衰退之后的回复速度来看，尽管还有可能出现短暂的供应短缺现象，但半导体级多晶硅可以满足半导体行业的市场需求。
2）品质更低（半导体行业拒绝的）的多晶硅产品可以在市场价格下用于光伏产业。
这个价格可能超出了光伏产业所能承受的范围，因为处于增加市场需求的战略考虑，光伏终端产品的市场价格正在不断降低。
该报告所引出的问题包括：
（1）多晶硅原料可用量的最终调查；情况良好，业内正在积极地将供应量维持在市场需求左右；
（2）多晶硅精炼行业的技术现状和扩产计划；（3）多晶硅市场价格前景的大概展望，特别是光伏产业；（4）美国能源部赞助的多晶硅低成本生产工艺的研究项目的发展情况，及其该项目对于多晶硅行业的影响。
该行业调查的数据主要是由RemoPellin，在另一位喷气推进实验室（JPL）顾问JamesLorenz的协助之下完成的。
额外的输入数据是由PA&I和平板硅阵列项目（FSA）项目人员共同提供并分析的。
根据所收集的数据，得出结果如下：
（1）在过去，半导体和光伏产业的需求可以通过多晶硅产能的增加来满足；额外的扩产计划可以满足直到1988年的市场需求。
表1所示是全球半导体级多晶硅的总产能和用量。
尽管如表1所示预期的产能有可能会大于市场需求，但根据以往的经验，预计的实际产量将会接近于市场需求。
（2）多晶硅精炼工业还和以前一样会继续改善西门子提纯工艺，以降低成本和改善产品质量，而UCC公司进入多晶硅市场无疑会产生激烈的竞争；（3）多晶硅的市场价格将取决于供求关系，偶尔会出现很高的市场现货价格。
市场需求对于半导体和光伏行业的增加速度都很敏感。
表1.多晶硅：
全球总产能及用量的历史记录以及预期，公吨/年
年度产能用量
美国能源部发起的研发项目对于全球多晶硅生产技术和产品产能有着巨大的影响。
UCC公司对于硅烷法工艺商业化应用的决定，就是政府引导的高风险性研发行为取得了成果之后迅速转化到工业应用的一个实例。
UCC在1980年以前就数度考虑进军多晶硅行业，但直到硅烷工艺在由美国能源部赞助、FSA主持的研发项目中得到证实之后，才正式决定。
在今天以及不久的将来，大多数多晶硅都会通过西门子工艺的衍生技术来生产。
由汉姆洛克在美国能源部的资助下开发的改良西门子法，可以大幅降低所有由西门子法生产的多晶硅的成本。
改良西门子法以及其它商业化的低成本生产工艺的低生产成本，有望基于市场供需关系的变化，逐步降低多晶硅原料的市场价格。
通过政府资源的适度利用，美国能源部赞助的低成本多晶硅精炼研究，使美国在该区域保持了技术的领先地位。
FSA多晶硅精炼技术研究引领行业的潮流，使行业的重点保持在该关键多晶硅技术之上。
内容摘要参考文献
1、Costogue,E.等人，硅材料1980-1985年展望，JPL刊物79-110,喷气推进
实验室（JPL），帕萨迪纳市,加利福尼亚州，1979年11月1日。
2、Costogue,E.等人，硅材料和硅片技术的行业调查报告，JPL内部5230-5号
文件，喷气推进实验室，帕萨迪纳市，加利福尼亚州，1981年5月1日。
3、Costogue,E.等人，1980至1988年多晶硅材料可用量及市场价格展望，
JPL刊物83-9，喷气推进实验室，帕萨迪纳市,加利福尼亚州，1983年2
月。
第一章
简介
太阳能阵列作为新能源的实用性取决于能源的售价与其它能源的对比。
由于半导体级多晶硅是生产太阳能阵列全球通用的主要原料，因此大量低成本半导体级多晶硅原料可用性是光伏产业发展的关键。
目前，光伏产业的发展取决于半导体级多晶硅原料的供应量，而半导体级多晶硅主要是为半导体产业而生产的，重点用于集成电路、电源装置以及分立的半导体设备。
在美国能源部发起的研发项目能够提供低成本的生产工艺，并且被多晶硅精炼行业接受并建成投产之前，半导体级多晶硅都将是主要的原料来源。
喷气推进实验室（JPL）的光伏项目分析和整合中心（PA&I）已经在跟踪多晶硅原料的可用量（对于光伏产业的发展至关重要），并且定期公布调查结果。
JPL技术研发和应用引导中心（TD&A）在1979年11月公布了一篇题为1980-1985年多晶硅原料发展展望（参考文献1）的报告，其中描述一项1979年7月进行的调查活动的结果，调查组形成的结论如下：
（1）由于半导体行业消耗量的增加和光伏产业的发展，1980年会出现严重的多晶硅短缺现象。
在此期间内，预计很少有多晶硅生产商会利用现有技术进行扩产，因为由美国能源部的光伏项目组主导的低成本多晶硅精炼新技术正在研发之中。
（2）因此，就形成了卖方市场，多晶硅的价格也会飙升。
在1980年11月（参考文献2），JPL的顾问RemoPellin先生主持了一项多晶硅行业信息调查更新，得出了多晶硅市场展望开始有了巨大变化的结论。
不过，在此之前，现货市场价格已经出现了大幅波动。
在1980年4月，多晶硅市场现货报价已经高达$140/kg（参考文献3），相较于1979年的市场价格已经提高了2倍。
调查报告的内容简单概括在了一篇题为多晶硅原料以及硅片技术现状的行业调研报告之中（参考文献2），结论如下：
（1）半导体级多晶硅原料供应不会出现长期短缺的情况，半导体行业的市场需求将会得到满足。
这份更新后的供应展望是对多晶硅精炼行业预期差额的修正。
该行业已经开始在1980年扩产，主要是对现有装置的工艺改良。
（2）过剩的半导体级多晶硅和半导体设备生产企业拒绝的未达标多晶硅将会用于光伏行业。
1983年初进行了另外一项关于精炼多晶硅可用量，特别是市场价格的市场调研。
1983年2月公布了一篇题为1980到1988年多晶硅原料可用量以及市场价格前景研究的报告，结论如下：
（1）多晶硅可用量目前，将来也会超出使用者的需求。
（2）多晶硅市场价格去年已经在下降，而且将会继续下降，因为西门子工艺装置的现代化进程和新工艺装置的投入市场。
（3）通过技术的改进，以最小化的资金投入换来了产能的大幅提升。
（4）目前和规划中的生产能力过剩会导致更加激烈的降低成本、提高收率的努力以及更有竞争力的定价。
（5）自1980年开始的全球经济衰退已经导致半导体装置行业的增长速度略微低于预期值。
（6）低成本多晶硅精炼新工艺，通过美国能源部赞助JPL管理的研发项目的大力发展，已经接近技术完备阶段。
此外，现有西门子工艺装置的改良预计也接近完成了，这会进一步降低精炼的成本和销售价格。
除了更新半导体级多晶硅的可用量以及销售价格的相关信息外以外，该报告还回顾了美国能源部研发项目对于光伏产业低成本多晶硅生产工艺研发的贡献，并对项目成果对于光伏行业的影响进行尝试性的评估。
第二章
多晶硅市场价格
A.多晶硅展望
多晶硅太阳能电池是用单晶硅片、多晶硅片或是非晶硅薄膜制成的。
目前，光伏组件中多晶硅的制造成本要占到10%-15%（$6/W中的$0.6到$0.9）。
使用半导体级多晶硅可以制造更高效的单晶太阳能电池，从而降低组件和支撑结构的整体成本。
业内之前已有定论，不论使用何种特殊的“太能级”多晶硅原料，都会导致太阳能电池的效率大幅降低，效果无法保证，因为该项目的焦点在于高效率。
因此，多晶硅太阳能电池业发展所需的多晶硅原料与半导体业是一样的。
在不久的将来，如同之前的其它新兴行业一样，太阳能电池行业也会接纳和使用半导体业拒用的多晶硅原料。
这些拒用的多晶硅中，包括无法满足集成电路产品杂质，如磷、硼、碳含量要求的纯原料，这一部分多晶硅占到所生产的所有半导体级多晶硅总量的5%。
总的说来，使用这些多晶硅是可以生产出令人满意的太阳能电池的
1983年半导体级多晶硅市场出现了重大的变化。
1983年1月半导体行业开始从1981-1982年的经济衰退中缓慢回复。
1983年6月，集成电路行业的衰退突然终止，并开始了恐慌性购买（参考文献5）。
这种销售猛涨的趋势一直持续到1984年3月，而且根据预计还可以持续到至少1985年（参考文献5）。
集成电路产品销售量的此次迅猛增长的结果就是，1983年7月到12月之间，抛光硅片的销售订单增长了50%。
只有抛光硅片产片的大量过剩产能才能阻止这种恐慌性购买。
1984年初抛光硅片的全球年产能为150万平方英尺，而1984年的预计市场需求是110万平方英尺，1985年是138.5万平方英尺。
硅片产能的扩大相对比较容易，新的硅片装置可以在12-15个月内建成。
知道1990年都不会出现硅片短缺的现象。
有证据显示，硅片产能的扩大主要是4家企业，其中只有1家美国公司：
WackerChemetronicGmbH,MonsantoCo.,Shin-EtsuHandota-,andOsakaTitaniumMfg.Co。
对半导体多晶硅原料需求的增长与抛光硅片的增长持平。
1984年3月，多晶硅的市场需求与生产产量是持平的（参考文献6）。
尽管产能正在增加，部分专家仍认为1985年会出现多晶硅短缺的现象（参考文献7）。
原因在于，新建一套多晶硅精炼装置至少需要3年时间。
不过，据一份严密的分析调查显示，多晶硅产能，包括现有装置、在建装置以及规划中的装置，至少可以满足直到1988年的市场预计需求量。
因此，鉴于竞争压力、大规模生产以及采用新工艺的装置的投产，多晶硅的价格预计会缓慢下降，在此阶段不会出现大幅波动的过渡期。
影响多晶硅生产以及使用的许多因素都要要进行解读。
与传统的商业周期不同，在1983年下半年开始的经济复苏阶段，多晶硅市场购买量的增加是超出预期值的。
但这种增长很快会稳定至正常水平。
将多晶硅加工成集成电路需要几个月的时间，而商业周期一旦超过6个月就很难预测了。
因此，在行业繁荣时期的的开始阶段，购买需求一般会增长，而在其末期则会降下来。
所以，在繁荣发展的商业周期的开始阶段，原材料总是很难买到的。
根据一般商业惯例，原材料的库存相较于稳定时期会出现大幅增长。
这些因素实际上就促成了原材料恐慌性购买现象的发生，在之前的6个月内，多晶硅行业已经出现了这种现象。
多晶硅生产装置的产能应被视为变量。
比如，瓦克和汉姆洛克都宣布说其产能仅仅通过对现有装置的工艺调整就可以翻番。
该产能提升可以通过以下方式实现：
加大反应物流量、提高多晶硅棒径、提高反应温度。
在市场需求量大的时期，可以调整这些参数来提高现有装置的产能。
为预测多晶硅市场将来几年间的情况，需要对市场需求和生产能力这两方面同时进行研究。
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