多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。多晶硅被喻為微電子產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的“基石”，多晶硅生產(chǎn)工藝主要包括三氯氫硅合成、四氯化硅的熱氫化（有的采用氯氫化），精餾，還原，尾氣回收，還有一些小的主項，制氫、氯化氫合成、廢氣廢液的處理、硅棒的整理等等。



多晶硅是由硅純度較低的冶金級硅提煉而來，由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術不同；進而對應的多晶硅產(chǎn)品技術經(jīng)濟指標、產(chǎn)品質(zhì)量指標、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術特點和技術秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。

改良西門子法是目前主流的生產(chǎn)方法，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅約占多晶硅全球總產(chǎn)量的85％。但這種提煉技術的核心工藝僅僅掌握在美、德、日等7家主要硅料廠商手中。這些公司的產(chǎn)品占全球多晶硅總產(chǎn)量的90%，它們形成的企業(yè)聯(lián)盟實行技術封鎖，嚴禁技術轉讓。短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術壟斷封鎖的局面不會改變。

多晶硅生產(chǎn)工藝詳細介紹：

一、改良西門子法

1955年，西門子公司成功開發(fā)了利用氫氣還原三氯硅烷（SiHCl3）在硅芯發(fā)熱體上沉積硅的工藝技術，并于1957年開始了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，這就是通常所說的西門子法。在西門子法工藝的基礎上，通過增加還原尾氣干法回收系統(tǒng)、SiCl4氫化工藝，實現(xiàn)了閉路循環(huán)，于是形成了改良西門子法——閉環(huán)式SiHCl3氫還原法。

改良西門子法的生產(chǎn)流程是利用氯氣和氫氣合成HCl（或外購HCl），HCl和冶金硅粉在一定溫度下合成SiHCl3，分離精餾提純后的SiHCl3進入氫還原爐被氫氣還原，通過化學氣相沉積反應生產(chǎn)高純多晶硅。

改良西門子法包括五個主要環(huán)節(jié)：SiHCl3合成、SiHCl3精餾提純、SiHCl3的氫還原、尾氣的回收和SiCl4的氫化分離。該方法通過采用大型還原爐，降低了單位產(chǎn)品的能耗。通過采用SiCl4氫化和尾氣干法回收工藝，明顯降低了原輔材料的消耗。

改良西門子法制備的多晶硅純度高，安全性好，沉積速率為8～10μm/min，一次通過的轉換效率為5%～20%，相比硅烷法、流化床法，其沉積速率與轉換效率是最高的。

沉積溫度為1100℃，僅次于SiCl4（1200℃），所以電耗也較高，為120 kWh/kg（還原電耗）。改良西門子法生產(chǎn)多晶硅屬于高能耗的產(chǎn)業(yè)，其中電力成本約占總成本的70%左右。SiHCl3還原時一般不生產(chǎn)硅粉，有利于連續(xù)操作。

該法制備的多晶硅還具有價格比較低、可同時滿足直拉和區(qū)熔要求的優(yōu)點。因此是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、投資風險最小、最容易擴建的工藝，國內(nèi)外現(xiàn)有的多晶硅廠大多采用此法生產(chǎn)SOG硅與EG硅，所生產(chǎn)的多晶硅占當今世界總產(chǎn)量的70～80%。

二、硅烷法

1956年，英國標準電訊實驗所成功研發(fā)出了硅烷（SiH4）熱分解制備多晶硅的方法，即通常所說的硅烷法。1959年，日本的石冢研究所也同樣成功地開發(fā)出了該方法。后來，美國聯(lián)合碳化合物公司采用歧化法制備SiH4，并綜合上述工藝且加以改進，便誕生了生產(chǎn)多晶硅的新硅烷法。

硅烷法以氟硅酸、鈉、鋁、氫氣為主要原輔材料，通過SiCl4氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的直接氫化法等方法制取SiH4，然后將SiH4氣提純后通過SiH4熱分解生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。硅烷法與改良西門子法接近，只是中間產(chǎn)品不同：改良西門子法的中間產(chǎn)品是SiHCl3；而硅烷法的中間產(chǎn)品是SiH4。

硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、安全性低的缺點；另外整個過程的總轉換效率為0.3，轉換效率低；整個過程要反復加熱和冷卻，耗能高；SiH4分解時容易在氣相成核，所以在反應室內(nèi)生成硅的粉塵，損失達10%～20%，使硅烷法沉積速率（3～8μm/min）僅為西門子法的1/10。

三、流化床法

流化床法是美國聯(lián)合碳化合物公司早年研發(fā)的多晶硅制備工藝技術。該方法是以SiCl4（或SiF4）、H2、HCl和冶金硅為原料在高溫高壓流化床（沸騰床）內(nèi)生成SiHCl3，將SiHCl3再進一步歧化加氫反應生成SiH2Cl2，繼而生成SiH4氣。制得的SiH4氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應爐內(nèi)進行連續(xù)熱分解反應，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。

由于在流化床反應爐內(nèi)參與反應的硅表面積大，故該方法生產(chǎn)效率高、電耗較低、成本低。該方法的缺點是安全性較差，危險性較大；生長速率較低（4～6μm/min）；一次轉換效率低，只有2%～10%；還原溫度高（1 200℃），能耗高（達250 kWh/kg），產(chǎn)量低。

目前采用該方法生產(chǎn)顆粒狀多晶硅的公司主要有：挪威REC公司、德國Wacker公司、美國Hemlock和MEMC公司等。

挪威REC公司是一家業(yè)務貫穿整個太陽能行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的公司。該公司利用硅烷氣為原料，采用流化床反應爐閉環(huán)工藝分解出粒狀多晶硅，且基本上不產(chǎn)生副產(chǎn)品和廢棄物。這一特有專利技術使得REC公司在全球太陽能行業(yè)中處于獨一無二的低位。

REC公司還積極開發(fā)新型流化床反應器技術（FBR），該技術使多晶硅在流化床反應器中沉積，而不是在傳統(tǒng)的熱解沉積爐或西門子反應器中沉積，因而可極大地降低建廠投資和生產(chǎn)能耗。2006年計劃新建利用該技術生產(chǎn)太陽能級多晶硅的工廠，預計2008年達產(chǎn)，產(chǎn)能6500t。

此外，REC正積極開發(fā)流化床多晶硅沉積技術（Fluidized Bed Polysilicon Deposition，預計2008年用于試產(chǎn)）和改良的西門子反應器技術（Modified Siemens-reactor technology）。

德國Wacker公司開發(fā)了一套全新的粒狀多晶硅流化床反應器技術生產(chǎn)工藝。該工藝基于流化床技術（以SiHCl3為給料），已在兩臺實驗反應堆中進行了工業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)試驗。



結束語：隨著市場對多晶硅需求的不斷增長，多晶硅的生產(chǎn)工藝逐步趨于成熟，與此同時新的生產(chǎn)工藝也在不斷涌現(xiàn)，但低成本，低能耗，和高效率及環(huán)境友好始終是人們追求的目標，如果我國能順應當前發(fā)展的趨勢，探索出一條具有中國特色的低成本太陽能級多晶硅的工藝路線，中國的光伏產(chǎn)業(yè)將會贏得極好的發(fā)展機遇和戰(zhàn)略優(yōu)勢，在世界光伏行業(yè)奏出華麗的樂章。