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隨著市場的強(qiáng)勁需求，2021年成為多晶硅異常火爆之年。數(shù)據(jù)顯示，2021年，中國多晶硅產(chǎn)能達(dá)到52萬噸，同比增長僅為23.8%，產(chǎn)量49萬噸，同比增長僅為23.7%。目前市場上對于多晶硅的投資在持續(xù)加碼。預(yù)計(jì)2022年全球多晶硅產(chǎn)能將快速增加至100-120萬噸，凈增35-50萬噸/年，而且增量幾乎全部來自中國。

硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的26.4%，僅次于第一位的氧49.4%。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，是銀灰色、有金屬色澤的晶體，是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的非金屬材料。

硅材料資源豐富、物理化學(xué)屬性優(yōu)良，具有單方向?qū)щ娞匦浴崦籼匦?、光電特性以及摻雜特性等優(yōu)良性能，晶體力學(xué)性能優(yōu)越，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是全球應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。

按純度要求及用途不同，可以將多晶硅分為太陽能級多晶硅和電子級多晶硅。半導(dǎo)體和光伏是多晶硅原材料生產(chǎn)制造的下游應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定技術(shù)壁壘和壟斷性。

一、光伏產(chǎn)業(yè)—太陽能級多晶硅

太陽能級多晶硅主要用于太陽能電池的生產(chǎn)制造，自太陽能電池問世以來，硅材料以其高儲量、較為成熟的工藝、潔凈無污染、較高的轉(zhuǎn)換效率、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢成為了太陽能電池的主體材料。

目前，光伏行業(yè)是多晶硅使用量最大的行業(yè)領(lǐng)域，太陽能級多晶硅對雜質(zhì)有嚴(yán)格的要求，通常要求多晶硅的純度需達(dá)到99.9999%以上，尤其是對其硼、磷元素的要求控制尤為嚴(yán)格，高純多晶硅的制備是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)含量較高的環(huán)節(jié)，處于光伏產(chǎn)業(yè)鏈的最上游。

專家預(yù)測，到2025年和2030年全球光伏裝機(jī)需求將達(dá)到400GW和1000GW，折算成多品硅需求量將達(dá)到130萬噸和300萬噸，即從2021年底的52萬噸/年產(chǎn)能到200萬噸/年以上，須有150萬噸/年產(chǎn)能增量實(shí)現(xiàn)新建或擴(kuò)產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)有增量前景，但過度投資規(guī)劃的76萬噸/年則會成為過剩產(chǎn)能。

從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來看，多晶硅環(huán)節(jié)仍是產(chǎn)業(yè)資金投入最大的環(huán)節(jié)，也是由巨大的沉沒資本堆積起來的。老產(chǎn)能經(jīng)歷過此輪價(jià)格上漲之后，投資基本已經(jīng)收回。

根據(jù)下游生產(chǎn)硅片的不同，多晶硅材料可以分為單晶（拉棒）用料產(chǎn)品和多晶（鑄錠）用料產(chǎn)品，單晶用料產(chǎn)品在質(zhì)量方面要求更高，對多晶硅廠商的技術(shù)和生產(chǎn)工藝等要求更高，市場售價(jià)也相對較高。隨著主流單晶硅片廠商在技術(shù)方面的不斷突破，單晶硅片在經(jīng)濟(jì)性能、太陽電池的能量轉(zhuǎn)化效率等方面優(yōu)勢明顯，單晶硅片已逐漸取代多晶鑄錠硅片成為光伏市場主流產(chǎn)品。

根據(jù)硅料摻入雜質(zhì)及導(dǎo)電類型的不同，可分為P型、N型。當(dāng)硅中摻雜以受主雜質(zhì)元素，如硼、鋁、鎵等為主時(shí)，以空穴導(dǎo)電為主，為P型。當(dāng)硅中摻雜以施主雜質(zhì)元素，如磷、砷、銻等為主時(shí)，以電子導(dǎo)電為主，為N型。

根據(jù)客戶是否可以直接投爐使用，可以分為免洗料和非免洗料。根據(jù)表面質(zhì)量不同，又可細(xì)分為致密料、菜花料、珊瑚料等。國家根據(jù)技術(shù)參數(shù)差異，制定了太陽能級硅料等級標(biāo)準(zhǔn)。

表1光伏硅料產(chǎn)品分類


表2中國太陽能級硅料技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)


目前太陽能級多晶硅技術(shù)路線主要有如下兩種：

（1）改良西門子法

改良西門子法生產(chǎn)光伏多晶硅是目前最為成熟、應(yīng)用廣泛、擴(kuò)展速度最快的生產(chǎn)技術(shù)。其原理是用氯和氫合成氯化氫，氯化氫和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成SiHCl3（TCS），然后對三氯氫硅進(jìn)行分離精餾提純，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，沉積在硅芯上生產(chǎn)高純多晶硅。

改良西門子工藝是在傳統(tǒng)的西門子工藝的基礎(chǔ)上，同時(shí)具備節(jié)能、降耗、回收利用生產(chǎn)過程中伴隨產(chǎn)生的大量H2、HCI、SiH2Cl2（DCS）、SiCI4（TET）等副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝。


改良西門子法包括了H2制備與凈化、HCl合成、SiHCl3合成、合成氣干法分離、氯硅烷分離提純、SiHCl3氫還原、還原尾氣干法分離、SiCl4氫化、氫化氣干法分離、硅芯制備及產(chǎn)品整理、廢氣及殘液處理等主要工序。

表3 改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工序


生產(chǎn)多晶硅所用設(shè)備主要有：氯化氫合成爐，三氯氫硅沸騰床加壓合成爐，三氯氫硅水解凝膠處理系統(tǒng)，三氯氫硅粗餾、精餾塔提純系統(tǒng)，硅芯爐，節(jié)電還原爐，磷檢爐，硅棒切斷機(jī)，腐蝕、清洗、干燥、包裝系統(tǒng)裝置，還原尾氣干法回收裝置；其他包括分析、檢測儀器，控制儀表，熱能轉(zhuǎn)換站，壓縮空氣站，循環(huán)水站，變配電站，凈化廠房等。

新增產(chǎn)能擴(kuò)張需要大量固定資產(chǎn)和電力配套設(shè)施投入，建設(shè)周期較長。行業(yè)內(nèi)主要企業(yè)通威股份、保利協(xié)鑫、新疆大全、新特能源、東方希望、亞洲硅業(yè)、鄂爾多斯、內(nèi)蒙東立都采用改良西門子法工藝生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)品，2020年采用改良西門子法生產(chǎn)的棒狀多晶硅占全年多晶硅總產(chǎn)量的97.2%，是目前最成熟的主流技術(shù)路線。

（2）硅烷流化床法

硅烷流化床法一般是硅烷流化床法是以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)（沸騰床）高溫高壓下生成三氯氫硅，將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解，在流化床反應(yīng)器內(nèi)預(yù)先放置的硅籽晶上發(fā)生氣相沉積反應(yīng)，生成顆粒狀多晶硅產(chǎn)品。隨著生產(chǎn)進(jìn)行，從流化床底部不斷排出長大的顆粒硅產(chǎn)品，同時(shí)從頂部添加適量的純硅籽晶。
圖4 硅烷流化床法多晶硅生產(chǎn)工藝流程圖

與改良西門子法相比，流化床法生產(chǎn)顆粒硅的生產(chǎn)能耗大幅降低，其連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)模式對于提高生產(chǎn)效率十分有利。另外，顆粒狀產(chǎn)品利于下游使用。目前成功實(shí)現(xiàn)多晶硅商業(yè)化生產(chǎn)的流化床裝置都采用了硅烷流化床，其原料為硅烷與氫氣。

硅烷易與其他氯硅烷分離，本身分解溫度低，分解率高，副反應(yīng)少，這就賦予了硅烷流化床法很大的優(yōu)勢：精餾、尾氣處理工序簡單，能耗和單體投資都能大大降低，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%，流化床電耗僅為改良西門子法的10%~20%。

另外，由于反應(yīng)徹底，副反應(yīng)少，整個(gè)反應(yīng)體系能夠做到完全閉路循環(huán)。但在目前階段，硅烷流化床法尚未成為多晶硅生產(chǎn)的主流技術(shù)路線，尚未突破幾大技術(shù)難點(diǎn)。

難點(diǎn)一：壁面沉積。由于流態(tài)化本身的特性，不可避免的在床層與裝置接觸面上發(fā)生氣相沉積，比如內(nèi)壁面、噴嘴等關(guān)鍵部位，甚至?xí)l(fā)生尾氣管道的堵塞。在內(nèi)壁面上硅沉積會嚴(yán)重地降低流化床的傳熱效率，還可能誘發(fā)器壁的破裂，沉積嚴(yán)重時(shí)，流化床裝置運(yùn)行較短時(shí)間就需要停車進(jìn)行清理，降低了生產(chǎn)效率。

難點(diǎn)二：流態(tài)化控制。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅顆粒粒徑逐漸增大，同時(shí)作為進(jìn)料氣的硅烷和氫氣密度較小，在流化時(shí)容易產(chǎn)生極大氣泡和節(jié)涌，操作穩(wěn)定性不好，同時(shí)大氣泡對于控制硅烷的均相沉積和增加氣體與顆粒的接觸面積都不利，進(jìn)而會降低硅烷的轉(zhuǎn)化率并產(chǎn)生更多硅粉，一旦控制不好很容易出現(xiàn)落床、節(jié)涌等異常情況，對設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行帶來損害。

難點(diǎn)三：產(chǎn)品純度控制。產(chǎn)品純度控制是流化床法的主要痛點(diǎn)，也是流化床法具備如此大成本優(yōu)勢仍無法取代西門子法的主要原因。因?yàn)榇矁?nèi)顆粒的長時(shí)間磨蝕，常用的金屬材料會給反應(yīng)體系帶入大量的金屬污染，較為常見的解決思路是運(yùn)用石墨、碳化硅等材質(zhì)作為反應(yīng)器內(nèi)襯或涂覆在金屬壁面上。同時(shí)也需要防止高溫氣體腐蝕金屬管道帶入金屬雜質(zhì)影響多晶硅產(chǎn)品純度。

目前，國內(nèi)市場僅有保利協(xié)鑫能源旗下的江蘇中能硅業(yè)實(shí)現(xiàn)了硅烷流化床法多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2017年保利協(xié)鑫收購了美國SunEdison, Inc.旗下的FBR技術(shù)團(tuán)隊(duì)和專有技術(shù)設(shè)備，顆粒硅生產(chǎn)工藝終于得到重大技術(shù)突破，產(chǎn)品質(zhì)量上得到了數(shù)量級的優(yōu)化和提升。

2020年年底，硅烷流化床法(FBR)顆粒硅的有效年產(chǎn)能從6000噸已提升至1萬噸。目前硅烷流化床法生產(chǎn)的顆粒硅實(shí)際產(chǎn)量僅占全年多晶硅總產(chǎn)量的2.8%，隨著持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新逐步攻克質(zhì)量雜質(zhì)控制難點(diǎn)，未來具備替代改良西門子法成為主流技術(shù)路線的潛力。

在市場方面，國內(nèi)光伏用多晶硅供應(yīng)占據(jù)絕對優(yōu)勢。通威、大全、保利協(xié)鑫、新特、東方希望、亞洲硅業(yè)等均處于世界前列。

二、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)—電子級多晶硅

電子級別多晶硅對于產(chǎn)品純度要求更高，一般要求9N以上（99.9999999%），目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品使用硅基材料制造。半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路、分立器件、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，90%以上集成電路制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片及外延片上。

采用西門子法可以制備高純多晶硅，然后以多晶硅為原料，采用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單晶硅圓片按其直徑主要分為6英寸、8英寸、12英寸及18 英寸等。將多晶硅拉制成單晶硅主要有直拉法和區(qū)熔法兩種工藝，目前90%以上的半導(dǎo)體單晶硅使用直拉法生產(chǎn)。

直拉單晶硅(CZ-Si) 主要用于制作集成電路、晶體管、傳感器及硅光電池等，區(qū)熔單晶硅(FZ-Si)主要用于制作電力電子器件(SR、SCR、GTO等)、射線探測器、高壓大功率晶體管等。

半導(dǎo)體級單晶硅材料是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中重要的基礎(chǔ)材料，按照其在集成電路生產(chǎn)中的應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要可劃分為芯片用單晶硅材料和刻蝕用單晶硅材料，其中刻蝕單晶硅材料為配合設(shè)備使用的耐用耗材。

刻蝕用單晶硅材料加工制成刻蝕用單晶硅部件，主要為上下電極產(chǎn)品，與刻蝕機(jī)配套，是晶圓制造刻蝕環(huán)節(jié)所需的核心耗材。芯片用單晶硅材料是制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)原材料，占半導(dǎo)體級單晶硅材需求市場的90%以上，芯片用單晶硅材料首先經(jīng)成形加工為硅拋光片，還可經(jīng)特殊制程加工為退火晶片、外延片、JIW、SOI。相比于刻蝕用單晶硅材，芯片用單晶硅材料對缺陷率參數(shù)要求嚴(yán)格。

表4 半導(dǎo)體級硅料參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)
芯片是在硅晶圓的基礎(chǔ)上加工制造而成，硅晶圓材料是集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。硅基半導(dǎo)體集成電路制作所用的單晶硅片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能之集成電路產(chǎn)品。

在市場方面，半導(dǎo)體多晶硅原料以進(jìn)口為主，國產(chǎn)化替代正處于快速發(fā)展的起步階段。國家政策與市場需求為國產(chǎn)多晶硅材料趕超歐美國家提供了一次絕佳的發(fā)展契機(jī)。除協(xié)鑫與黃河水電外，大全、新特、通威、東方希望均有電子級多晶硅新產(chǎn)線布局。

原標(biāo)題：一文讀懂多晶硅及其產(chǎn)業(yè)形勢