硅烷法
多晶硅是半導體芯片的原料。過去多年,多晶硅一直由包括德國瓦克(Wacker)在內(nèi)的傳統(tǒng)七大國際生產(chǎn)商把持。
光伏行業(yè)快速崛起后,其對多晶硅原料需求迅速超過半導體?,F(xiàn)在多晶硅應用中,90%用于光伏,只有10%用于半導體。保利協(xié)鑫則是光伏業(yè)崛起中孕育出來的多晶硅巨頭。
保利協(xié)鑫在2006年進入多晶硅行業(yè)時,最成熟的技術是改良西門子法,這一技術也擁有成熟且公開的設備供應商。保利協(xié)鑫在多晶硅行業(yè)零積累的背景下,選擇了改良西門子法,并開始在徐州搭建多晶硅生產(chǎn)工廠。過去七年時間,其通過設備國產(chǎn)化、自主研發(fā)設計關鍵工藝、對生產(chǎn)持續(xù)改進將成本快速降低。2008年保利協(xié)鑫多晶硅生產(chǎn)成本還是每公斤66美元,現(xiàn)在已經(jīng)降到每公斤17美元。
“改良西門子法成本再要下降,空間越來越小,到天花板了。”蔣立民告訴記者。2009年,保利協(xié)鑫開始啟動硅烷流化床項目,這是一種成本更低的技術路線。
從硅的轉(zhuǎn)化率來看,改良西門子法在還原爐中的一次轉(zhuǎn)化率只有10%,硅烷流化床法能夠達到98%。改良西門子法的反應溫度高達1100度,硅烷流化床的反應溫度為500到600度,后者能耗也更低。硅烷法的反應面積遠遠大于改良西門子法,亦能進一步降低能耗。而且,與改良西門子法每三天就要打開裝置相比,硅烷法可以在封閉空間內(nèi)持續(xù)反應,持續(xù)進料和輸出產(chǎn)品。
可是這項技術卻很難掌握。硅烷流化床法在過去只被兩家企業(yè)實現(xiàn)過商業(yè)化,一家是挪威的REC,另一家是美國的MEMC,其對供應商和工藝流程的保密性要求都極高。即便是做得最成功的項目,至今也有沒有解決反應效率和產(chǎn)品純度等問題。
保利協(xié)鑫執(zhí)行總裁舒樺介紹,當保利協(xié)鑫決定啟動硅烷流化床項目時,內(nèi)部出現(xiàn)了不同的聲音:改良西門子法在市場中每年有幾十億的營收,坐擁高達36.4%的毛利率,在如此舒適的市場環(huán)境下為何要投幾億來冒風險?“我們有時候也比較矛盾,這個硅烷法出來,要革自己的命。改良西門子法我們已經(jīng)做到最優(yōu)了。但技術進步就是這樣,這條線革上條線的命,這代技術革上一代技術的命”,呂錦標對記者說,“技術進步日新月異,要把自己的過去和追趕者一起甩掉。”
硅烷流化床法的原理是,成份是四氫化硅的硅烷氣在流化床的反應器中,跟特別細碎的種 子硅粉發(fā)生氣固反應,在高溫下,硅烷氣分解成硅和氫氣,整個反應過程固體越來越多。“就像炒豆子、豆子越來越大的過程。”蔣立民如此形容。
其難點之一在于,顆粒硅會在生成過程中由于劇烈反應而不停地撞到流化床反應爐的內(nèi)壁,如果內(nèi)壁材料選用得不好,會讓顆粒硅沾上雜質(zhì)而純度不高。國外現(xiàn)在通過硅烷流化床法做出的顆粒硅純度不高就是由這個原因造成的。另一難點在于,這個氣固反應的過程中固體越來越大,如何及時地把符合標準的顆粒硅送出去,又不讓作為種 子的硅粉同時出去,也不能讓顆粒硅越積越多堵住硅烷氣進來的入口,這對流化床反應爐的結(jié)構(gòu)設計有非常高的要求。在這個動態(tài)的反應過程中,如何加熱、在不同段控制不同溫度,也是非常復雜的過程。
“任何項目攻克,最關鍵的還是人和團隊。”舒樺說。
舒樺介紹,保利協(xié)鑫早在2008年就在美國華盛頓州里奇蘭設立研發(fā)中心,吸引行業(yè)內(nèi)最頂尖的外籍專家加入,從事改良西門子法的系統(tǒng)優(yōu)化和硅片技術創(chuàng)新。研發(fā)中心地點設在美國,就是為讓這些外籍專家有離家更近的工作地點?,F(xiàn)在這個研發(fā)團隊超過三十人。同時,中能硅業(yè)也在徐州搭建了硅烷流化床項目的專項課題組,有從半導體和化工行業(yè)、精密設備制造業(yè)找來的各色人才,包括此前做化工設計院的院長,團隊有二十多人。
硅烷流化床項目經(jīng)過前期研發(fā)后,保利協(xié)鑫決定在2009年開始做每年1000噸產(chǎn)能的中試線。這條中試線僅設計就花了2010年、2011年兩年的時間。這期間,來自設備和工藝領域的各門類專家都集中到中能。中能課題組的20多個成員面臨者強度更高的工作節(jié)奏,在設計最后的五個月,課題組所有人工作時間從早八點半到晚上十點半,每天工作十四個小時,周末無休。2011年春節(jié)放假三天后,大年初三的早上,課題組成員就全部到中能開始工作。
為解決顆粒硅沾上流化床反應爐內(nèi)壁雜質(zhì)的問題,課題組找到外部合作方,一起對內(nèi)壁材料進行設計,最后選擇出一種特殊材料;在結(jié)構(gòu)設計上,最初討論出20多種方案,并從中挑選出一種做中試設計。
蔣立民在中能辦公室的書柜中,有一半的空間擺放著從中試項目試驗中做出來的一批批產(chǎn)品。如果反應順利,生產(chǎn)出來的產(chǎn)品應該是直徑為幾毫米的顆粒硅。蔣立民的書柜里擺著長寬都超過1米的片狀硅體,體積比標準顆粒硅產(chǎn)品大了100萬倍。還有布滿小孔的超過一個拳頭的硅塊,這些都是中試試驗中生產(chǎn)出來的失敗產(chǎn)品。
“已經(jīng)想到試驗時會產(chǎn)生奇怪的東西,但沒有辦法想象,怎么會產(chǎn)生這么大的東西。”蔣立民拿著那塊巨大的片狀硅體對記者說。
2012年5月,中試項目終于成功產(chǎn)出達標的顆粒硅,且純度能夠?qū)崿F(xiàn)11個九(即99.99999999999%)。目前市場上銷售的顆粒硅產(chǎn)品純度僅為6到7個九。
兩年的時間進行項目設計,一年的時間搭建中試項目并成功產(chǎn)出,在硅烷流化床項目中已經(jīng)是非??斓乃俣?。德國、日本不少老牌多晶硅生產(chǎn)商也曾進行過硅烷流化床項目的研發(fā),至今沒有推出技術產(chǎn)業(yè)化的計劃。
在多晶硅行業(yè)中已經(jīng)有數(shù)十年經(jīng)驗的老專家,也覺得保利協(xié)鑫的速度“不可理喻”。在前期研究工作做完后,畫出工藝流程圖在老專家看來需要三個月。蔣立民當時定下的時間是一個月,最終工藝流程圖也是一個月畫完了。
“我們工作的節(jié)奏和方式是,可以八小時外、周末全部用來工作,也感染了外聘的專家和協(xié)作單位。他們本來的理念是不加班,后來也跟著我們周末一起工作。”蔣立民說。