多晶矽還原爐用方、圓矽芯性價分析及展望

摘要:矽芯是西門子法多晶矽生產中的基材及耗品,是生產棒狀多晶矽的載體,其截麵可方可圓,製造成本及使用特性存在差異而眾說紛紜,而國內外大部份多晶矽企業仍采用圓形矽芯。本文就其方形、圓形矽芯的製造成本、使用特點、可能的其它形態,及在多晶矽生產中的性價成本方麵作了較為透徹的評析。 關鍵詞:方、圓矽芯,製造成本,使用性介,在多晶矽生產中的評析
yabo2019vip 2017-3-31 20:40:55

西門子法生產棒狀多晶矽,其原理是把經過高純處理的,具有一定溫度、壓力和配比的氫氣(H2)和三氯氫矽(STC)通入密閉的還原爐內,在被高壓擊穿並加熱的(1080℃左右)高熱載體-矽芯表麵被連續還原而沉積製得(生長)多晶矽。隨著反應時間矽芯表麵沉積量越來越多,使較細的矽芯逐漸直徑變粗成為矽棒。當矽棒生長一定的時間並到合適的直徑後停爐,拆爐收獲。

矽棒的沉積速度與載體的表麵積相關。一爐矽棒生長期裏,載體的表麵積從初始的矽芯表麵積開始,隨著反應時間,沉積出矽棒越來越粗,載體表麵積越來越大,反應氣體對沉積麵碰撞機會也越多,沉積速度也隨之越來越大,因而收率越來越高。

原始載體-矽芯的長度與還原爐的高度有關,爐子定了矽芯的長度也確定了,這時矽芯的截麵形狀就與沉積表麵積相關了,同樣長度的方形與圓形矽芯的表麵積是不同的,引而出現了沉積表麵積的差異,從而影響矽棒的沉積速率及每爐次矽棒的生長周期。但方形及圓形矽芯的生產方法不同,其生產裝備及其它的成本構成也不同,同時不同截麵形狀的矽芯在使用中也存在其不同的特點。

受歐美“雙反”,矽價下探,利潤壓縮甚至虧損,矽芯在產品矽中的成本份額不可忽視。江蘇中能矽業科技發展有限公司是多晶矽生產的標杆企業,主產品是棒狀多晶矽,生產中需要大量的矽芯。本文就根據多晶矽生產的實際,就矽芯的製備方式、生產成本、使用特性、經濟性性價等方麵作出評析。

1、矽芯的生產方式:

矽芯爐拉製圓形矽芯:

區熔基座法拉製矽芯,目前已發展到5頭爐或7頭爐。即同時拉製57根,一次裝母料可拉製3次的工業化操作模式,效率高,操作穩定,每個員工可同時操作23台,每台矽芯爐24小時可產出30根左右的合格矽芯。這種爐型由江蘇中能矽業與洛陽金諾和西安理工廠家合作開發成功後迅速被國內多晶矽企業應用,目前均處在正常生產狀態。

矽芯拉製對員工的綜合素質要求高,責任性強,操作強度較大。圓矽芯規格一般為Φ8mm,長度為24002800mm,拉製合格率為95%以上。

線切割方矽芯:

線切割方矽芯的概念和裝備由國外引進,江蘇中能在2007年就引進了梅也博格的方矽芯專用切割機。方法是通過單晶爐先把原生多晶矽塊拉製成矽芯的原料棒,即致密的多晶矽圓棒,直徑在160200毫米左右,長度與所需成品矽芯匹配,後用線切的方法把矽芯原料棒剖切成方形矽芯。這種方法生產成品率高、效率高,勞動力要求低,缺點是割縫損耗高,耗品成本大,隨著多線切割及耗品國產化,綜合成本雖下降不少但與矽芯拉製相比還高許多,基於成本高,絕大多數多晶矽企業仍使用拉製的圓形矽芯。

線切方矽芯盡管成本高,但具有相對表麵積大、規格統一、直線度好,使用中還存在一些潛在的優點。種種原因,國內使用方矽芯的現有江蘇中能、陝西天宏、LDK(部分使用)三個廠家,其餘西門子工藝多晶矽生產廠包含韓國OCI均用圓形拉製矽芯。

2、矽芯的生產成本:

圓矽芯生產成本

眾所周知,為檢驗及監測多晶矽的質量,企業必須按生產線為單位專門生產檢驗料,這檢驗料與產品料的進料工藝不同,為便於產出能 “掏料”的致密矽棒,其成本要高於產品料。但可以做到把“檢驗料”與“矽芯母料”合為一體,即既能掏“檢驗棒”去作磷硼檢,又可以當“母料”去拉製矽芯。

這裏有個因素要考慮:每條生產線即便不生產“矽芯母料”,也必須生產與“矽芯母料”同質的“檢驗料”(高電耗),為覆蓋多晶矽生產周期而生產的“檢驗料”所拉製的矽芯足夠提供本條線的矽芯使用。所以,專門生產高電耗、高成本的“矽芯母料”之說有待商榷。

如果一定需要單獨計算母料的成本,可以利用對比與多晶矽產品料成本增加值計算。母料成本對比多晶矽產品料成本增加的部分主要是還原電耗增量,如多晶矽生產成本(RMB90/kg14.52USD/kg)計算得:

多晶矽產品料

矽料母料

還原爐電耗

50kwh/kg

115kwh/kg

成本

14.52USD
14.52*6.2=90
/kg

90+115-50*0.7=135.5/kg

也即矽芯母料生產成本約為135.5/kg

經調查,某公司分廠4月份共生產矽芯母料187604kg,這些母料生產矽芯252634支,平均每支矽芯需要187604/252634=0.7426kg母料。一支矽芯的重量為0.3kg,拉完矽芯後剩餘的尾料仍可作產品料出售。所以生產矽芯用母料的成本應該由兩部分構成:一是矽芯材料費(消耗的0.3kg母料),二是剩餘的尾料(0.7426-0.3)高於多晶矽成本的部分,於是矽芯的母料成本如下:

0.3*135.5+0.7426-0.3*135.5-90=60.8/

若要與方矽芯進價對比,則需另加上銷售價與母料生產成本價的價差,根據20156月市場價為120/kg,即:0.3kg*120-90=9/支。故每支矽芯的母料全成本為:60.8/+9/=69.8/支。

矽芯成本測算列表如下:

(國內三家主流企業數據平均):單位:1支矽芯

類 目

單位

耗用量

單價

成本構成

備注

母料全成本

0.3kg/

69.80

按上麵計算

拉製用電

kwh

31

0.7/Kw

21.7

拉製綜合電耗31 Kwh,含空調

液氬

kg

1

900/t

0.9

消耗液氬約1kg/

脫鹽、高純水

0.035

17/t

0.60

脫鹽水冷卻設備,高純水清洗

硝酸、氫氟鹽

kg

0.15

7/kg

1.05

腐蝕用酸,實際耗用數據

拉製人工費

工日

0.056

245

/

9.8

月均5500元,22.5/月,一人看2.5台,每天每人生產25

輔助人工弗

60%的比例

5.9

配置其它操作工及管理人員

輔助易耗品

3.0

線圈、酒精、石墨組件等

矽芯爐

設備折舊

12.20

10年日產26支計算:114/10a/360/26=12.2

輔助設備折舊

空調、動力、清洗供酸、泵送、管道、機加工等

6.35

按每台矽芯爐配套設備6010年折舊計

房屋折舊

M2/

60

1.6

5000/M220年折舊

廢水處理及公用工程費

有氮氧化物洗滌裝置及管道,片堿消耗,廢水泵送、石灰等

1.5

公用工程的汙水處理及間接人工等費用

合計

134.50

方矽芯生產成本

國內方矽芯由浙江中矽企業專業供貨,經營模式有二種:一種是用戶自拉多晶矽棒後委托其切割,切費約6000/根(矽芯坯棒);另一種是中矽企業按客戶要求定製,自產後實現對外銷售。

江蘇中能矽業現使用方形矽芯,方式是配套企業用單晶爐自拉多晶矽棒後外委切製方矽芯,設備配置如下:

類目

內容

備注

方矽芯售價(元/支)

470

規格:囗15*15*2400,去稅價,含酸洗等

單晶爐(台)

65

按多晶棒拉速0.85mm/min控製

年產方矽原料棒(根)

5967

台單晶爐月輪8.5次,設備運轉率90

年產方矽芯(根)

636000

方矽原料棒直徑約Φ200,每根切107根矽芯

原生多晶矽原料

16560

20156月市價約120/Kg,約155Kg/

石英坩堝(元/隻)

2500

24英寸,每根方矽棒耗用1

熱場(元/套)

250000

每個熱場可使用62爐次

外委切割費(元/根)

6000

不含物流費用

燃料動力(元/根)

3800

5500度,氬氣480Kg

折算每根方矽芯成本

470/

去稅價

3、抗倒伏能力分析:

眾所周知,圓矽芯直徑控製是靠拉速和溫度調節來達到的,尺寸公差也較大,裝矽芯時因粗細不勻在卡瓣中為點接觸不容易裝垂直,矽棒長粗後承重偏心而引起倒爐。另外圓矽芯搭橋橫梁是擱放在開槽中的,接觸麵小,高壓擊穿和大氣流時容易跌落產生倒爐。而方矽芯截麵積大強度高,承載能力大,同時尺寸標準,卡瓣裝夾垂直度容易保證,搭橋用圓錐榫連接可靠,使還原爐倒爐率大大下降。理論及實際上方矽芯的抗倒伏能力確實有優勢。但圓矽芯的不利可通過精準的安裝及啟爐工藝的優化是可以克服的,江蘇中能使用的圓矽芯已經創造了單月整條生產線無倒伏記錄,經分析某個別較多倒棒爐是因其電氣設備問題或流量計不準或調節閥不靈敏而導致的,況且運行20h以內的還原爐靠壁現象均有可能出現。

4、方、圓矽芯的使用效益測算:

方、圓矽芯的幾何尺寸對比:

設:圓矽芯尺寸:φ8*2400;方矽芯尺寸:15*15*2400

則:方形矽芯的表麵積是圓形矽芯的15*4/3.14*8=2.39倍。

若圓形矽芯要達到方形矽芯的表麵積,圓形矽芯的直徑需要達到15*4/3.14=19.1mm

方矽芯幾何尺寸帶來的優勢:

按照還原爐前期矽芯平均生長速度1.6mm/hr的直徑增量經驗數據可知,達到直徑19.1mm需要爐子運行不到7h時間。也即φ8矽芯生長7h以後,將達到與方形矽芯相同的表麵積,隨後就會具有與方形矽芯相同的沉積速度,生長狀態完全相同。也就是說方形矽芯對比圓形矽芯少運行了圓矽芯前期的7h時間。由於正常情況下都是當矽棒生長到需要的直徑後才停爐,所以在方矽芯在爐單產方麵沒有優勢。

使用經濟性分析

方形矽芯對比圓形矽芯少運行了圓矽芯前期的7h時間,圓形矽芯前7h(Φ8長粗至Φ19.1)平均功率470kw/hr,總耗電量為3292kwh,每爐用矽芯26支(包括橫梁),根據直徑增量計算產量為34.2kg(Φ8長粗至Φ19.1)。這7小時的平均公斤電耗為96.3kwh/kg

通過電耗對比多晶矽產品成本(90/kg)計算得出前7h生產成本為:90/kg +(96.3 kwh/kg -50kwh/kg)*0.7/kwh=122.41/kg

每爐前7h生產成本122.41*34.2=4186.42元。

方矽芯價格為470/支,圓矽芯成本為134.5/支。

7小時後兩種矽芯達到相同表麵積,但圓形矽芯較方形矽芯重量多了8.96kg{【(0.25×3.1415×0.019120.0152)*2.4*2.33t/m3*26/爐},按多晶矽成本(90/kg)扣除這8.96kg的成本,得出采用方矽芯後每爐成本增加:

470*26-4186.42+134.5*26-8.96*90=5343/爐。

假設方形矽芯生產一爐100h,產量為2300kg,沉積速度23kg/h;則圓形矽芯一爐用107h,產量為2308.9kg,沉積速度21.58kg/h。按此數據計算,月運行相同時間600h(設每爐運行100h,每月開6),方形矽芯多產600*23-21.58=852kg/.爐,但是成本增加6*5345/=32070/月,即由於使用了方矽芯導致成本增加了:32070/2300*6=2.32/kg

如從使用了方矽芯而多產了852kg的矽料,去除以新增的方矽芯成本的話(32070/852=37.64/kg),得出新增產量的成本增加了37.64/kg,故隻有多晶矽的利潤等於或超過這一數值時,才能保本或盈利,或者說提高的產量才能彌補使用方矽芯帶來的成本提高。如產品利潤為37.64/kg時,采用方矽芯與采用圓矽芯生產的多晶矽利潤持平。

5、管狀矽芯推薦:

矽在還原爐載體矽芯的表麵不斷沉積,表麵積逐漸增大,從最初的細矽芯棒直至長成粗矽棒。沉積表麵積越大,則沉積速度及實收率也越高,其關係服從線性上升的直線。

為達到較大的沉積速度,繞開沉積速度很小的初始階段,其最簡單的方法就是增大“矽芯”的直徑,讓矽棒一開始就在表麵積較大的“矽芯”表麵生長。

空心管狀矽芯應是滿足上述要求的形態之一。國外某公司已完成實驗室研發,準備在2016年初推向市場。據該網站資料顯示,管狀矽芯外徑約Φ50,壁厚約2毫米,長度滿足現有還原爐的要求,生產方式類似於單晶爐,坩堝可重複使用30-40次,產量可提高30%以上,降低電耗15%以上,測試中已做到50小時沉積到125毫米的直徑。該公司已可控開發一次拉一根及正在研發一次拉5根的管狀矽芯爐,可提供拉製管狀矽芯的設備,包括操作培訓等,並申請專利。

空心管狀矽芯理論上可大幅度降本及增加產率,但取決於管狀矽芯的生產成本以進一步考核其性介比。另外更粗的矽棒成品直徑及爐底盤上矽棒位置的改變,可能要變更設計相應的還原爐及底盤。其相應的照片如下:

6、結束語:

出於篇幅限製,本文僅從方、圓矽芯的生產及使用的不同作了整理性評析,並指出了創新型矽芯形態的方式。具體還需從企業的實際出發,目前國內陝西天宏及中能矽業在使用方形矽芯。基本結論如下:

15*15截麵的方矽芯表麵積相對於Φ8圓形矽芯要大,能節省還原爐前期運行約7個小時,使還原爐運行總周期縮短了,沉積速度也相對提高(每爐運行周期內),每月每爐可提高852kg產量(犧牲成本),但成本增加了。因此在市場好,產品利潤大於37.64/kg時,產能欠缺而需搶產量銷售時可實施。

如企業對還原啟爐的技術控製尚未熟練,為保證矽芯安裝鉛垂麵,降低倒爐風險時,使用方矽芯具有一定的優勢;

市場疲軟,庫存量很大,產品利潤處在保本邊緣,生產瓶頸或主題不是還原爐數量緊缺下,使用方矽芯而增加的成本不可忽視;

方形矽芯由於生產的特點,不能做到高阻,故不能應用於電子級高阻多晶矽的生產中;

管狀矽芯屬創新,表麵積大,可大幅提高還原沉積速度,但前提是生產成本及工業化生產的可能。

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