不忘初心,硅業報國,助燃國之利器新輝煌 ——記中硅高科硅基材料自強研發之路

2019年11月27日 9:16 4803次瀏覽 來源:   分類: 重點新聞   作者:

導讀:   55年前,振奮人心的蘑菇云在天空中綻放。背后,是科技人員十年隱姓埋名的默默奉獻和忘我奮斗。中國的科技發展史證明,核心技術從來都不是買來的,攀登科學高峰沒有“捷徑”可走。

55年前,振奮人心的蘑菇云在天空中綻放。背后,是科技人員十年隱姓埋名的默默奉獻和忘我奮斗。中國的科技發展史證明,核心技術從來都不是買來的,攀登科學高峰沒有“捷徑”可走。

10年前,當國外的光伏原材料技術被國外牢牢控制的時候,中國恩菲工程技術有限公司及子公司洛陽中硅高科技有限公司用十年磨一劍的報國之心,成功研發自主知識產權的低成本、低能耗、大規模多晶硅材料制備技術,讓光伏新能源技術推廣應用走下國外壟斷所設置的“神壇”。

10年后的今天,面對我國電子信息產業、光纖通信行業原料、技術受制于人的不利局面,恩菲人、中硅人又聚力高端,潛心研究國家緊缺的芯片用電子級多晶硅料和電子特種氣體以及光纖通信行業的原材料。

硅業報國,激勵他們向著助力中國電子信息產業崛起的新征程進發。

起點:“硅業報國”

我國擁有豐富的硅礦資源,金屬硅產量占世界2/3,自用1/4,其余全部出口。在中國恩菲擁有自主知識產權的多晶硅生產技術誕生前,多晶硅生產技術由美、日、德等國掌控,對我國實施技術封鎖和市場壟斷,國內只能引進國外落后技術,在產多晶硅企業因為生產水平低、規模小、成本高、能耗高、副產物難循環等問題而備受詬病,導致新能源和電子信息行業發展受制于人、舉步維艱。

遇事無難易,而勇于敢為。為盡快擺脫多晶硅生產技術受制于人的被動局面,中國恩菲于上世紀九十年代自主研發、設計了四川峨嵋年產100萬噸多晶硅試驗示范線,探索改良西門子法相關技術。2000年,中國恩菲率先在國內開展了多晶硅高效節能環保生產技術與裝備研究,率先獲得國家發明專利“四氯化硅氫化制備三氯氫硅方法”授權。

2003年,中國恩菲成立了專注于多晶硅生產的子公司洛陽中硅高科技有限公司(簡稱:中硅高科)。以“硅業報國”之心,這里誕生了中國第一條規模化生產的多晶硅生產線,解決了制約中國光伏能源行業的原材料問題,打破了國外壟斷,引領著國內光伏的快速發展;這里,孕育了一代代的光伏前沿新技術,解決了生產工藝的副產物循環利用難題,實現了低功耗、高品質、清潔生產目標,引領了國內多晶硅工藝閉路循環走綠色經濟發展之路。

習近平總書記指出,“在建成社會主義現代化強國、實現中華民族偉大復興的征途上,每一個行業、每一個人都要心懷夢想、奮勇拼搏,一步一個腳印,一棒接著一棒,在奮力奔跑和接續奮斗中成就夢想。”砥礪前行、追夢奔跑,恩菲人從不止步。中硅高科率先實現光伏太陽能多晶硅國產化以后,中硅高科持續技術創新,承擔了20多項國家重點科研項目以及200多項省市科研項目,技術水平、成本能耗水平均走在了世界先進行列,產能位居世界前十。

編織“高精尖”之夢

2012年,國內光伏行業遭遇發展寒冬,憑借自主研發的領先技術“幸存”的中硅高科,更加深刻地理解了“只有把核心技術掌握在自己手中,才能真正掌握競爭和發展的主動權”的核心要義,更時刻銘記著總書記的諄諄囑托:“只有擁有強大的科技創新能力,才能提高我國國際競爭力。希望你們積極搶占科技競爭和未來發展制高點,突破關鍵核心技術,在重要科技領域成為領跑者,在新興前沿交叉領域成為開拓者,為經濟社會發展、保障和改善民生、保障國防安全提供有力科技支撐。”

硅,這個地殼中含量最高的元素,因光伏得以“揚名”,而實際上,它也是芯片的重要載體、是光通訊行業的基礎原料。目前,因為核心環節技術未能突破,中國在這兩個領域也面臨著和昔日光伏產業同樣的受制于人之局面。

相關技術在外、核心產品進口,我國高端電子信息技術產業、人工智能乃至國家安全都會受到威脅。 機遇偏愛有準備的頭腦,未來的機遇雖不可知,但夢想可以帶動行動的步伐提前籌謀。心懷報國之心,中硅高科再一次踏上了為國研發的道路,開始了高端硅基材料的研發工作,為實現“高精尖之夢”而努力。

從星星之火燃起產業之光

電子級高純多晶硅和區熔級多晶硅是制取集成芯片的超純原料,但是這個市場卻長期被美國、德國、日本壟斷,在中硅著手研發產業化之初,國內仍是空白。“做國家急缺的高端硅基材料!”這是具有民族情懷的中硅人的追求。

堅持不懈,勇于探索,在摸索中填補技術空白,這是抱著硅業報國之心的中硅人找到的良方。

【技術創新】電子級多晶硅對純度的要求極高,其純度已達很高級別:受主雜質的原子含量比僅為5×10-11, 施主雜質的原子含量比為15×10-11。所以,生產電子級多晶硅對技術的要求也極高,經過數十年的研究和生產實踐,中硅高科持續提升改良西門子法:氫氣制備及純化、合成、氯化、精餾、還原、尾氣回收和后處理……生產中的每一個步驟、每一項工藝,為進一步實現高純、不斷優化,從理論研究、評價爐檢測,到應用于還原爐的試生產,再到整個車間的穩定生產,科研技術人員在無數參數數據的計算、對比、推翻、再確定的過程中,經歷著“殘酷”的自我否定和驚喜的科學肯定。從電子級多晶硅的試驗成功,到區熔級多晶硅的研發成果轉化,他們用堅毅的韌性迎來了勝利的曙光。

【裝備升級】企業轉型升級,裝備提升是關鍵。高純電子級多晶硅是制取集成芯片的關鍵材料,區熔用多晶硅棒主要應用于高電壓大功率器件,比如IGBT芯片,對硅料純度要求更高。所以,全生產流程都要以高標準實現高純度的要求。設備材質、爐型結構、管道選型、儀表選型、潔凈室等級都要高于半導體技術標準要求進行嚴格控制,方能確保產品始終如一,穩定可靠。經過改造后的車間,成為了一個“神秘基地”:在這里,每一個螺絲、每一節管道,每一個閥門,都是經過技術人員反復的推敲和驗證而來;在這里,只有特定人員指紋解碼方可進入,干凈的車間,感覺呼吸都舍不得用一絲力氣;在這里,硅芯就像技術人員播下的種子,還原爐就像孕育生命的懷抱,在技術團隊的精心呵護下茁壯成長。高品質的裝備為高純工藝提供了保障,為生產出高純產品奠定了基礎。

【高效循環】一塊電路芯片由100多億個晶體管組成。晶體管通過納米級電線,經外延、光刻、氣相沉積、離子注入、擴散、刻蝕、清洗等諸多工序連接在一起,這個過程需要110種電子氣體進行構造和塑形。這當中,硅基電子特氣占比近半,其質量直接影響半導體集成電路芯片的質量和性能。

目前全球半導體用電子氣體市場呈現出寡頭競爭的格局,美國、法國、德國、日本幾家企業的電子氣產量之和全球市場占比90%以上,許多氣體在國內的生產仍是空白。只要這些核心技術被國外控制,芯片技術的自主國產化就很難實現--潛心研究電子級高純多晶硅的中硅人,也不會放棄這些領域的研究。

多晶硅還原爐內反應十分復雜,已知的反應高達十幾種,原料三氯氫硅和氫氣在爐內高溫硅芯表面發生氣相沉積反應,生成棒狀多晶硅,同時副產四氯化硅、氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、六氯乙硅烷、六氯乙硅氧烷等化合物,在此過程中,還原爐內硼磷及金屬雜質含量低至ppb級別,因此副產物純度很高。正因如此,這些低雜質副產化合物更適合用來作為硅基電子特氣的原料。這些“原料氣”經過為其量身打造工藝路徑的處理,諸如反應精餾、催化合成等,華麗轉身為“電子特氣”。中硅高科充分利用原有工藝,實現了高效增值循環利用,多晶硅工藝中的副產物成為了新的高附加值產品!

【產品多元】企業發展中產品多元才能抵御風險,依托多晶硅系統主產或副產的硅基產品,經過集成催化轉化、強化吸附、反應精餾、高效提純、精密過濾等先進的生產技術,中硅高科開始自主研發高純度的四氯化硅、三氯氫硅、二氯二硅烷、六氯乙硅烷、正硅酸乙酯等硅基等系列電子氣產品,在此基礎上,還研制高純產品充裝系統和儲罐清洗系統。

【“純到極限”】在精細化工提純這條道路上,從1N到10N的技術難度,是指數型增長的曲線。在持續提升純度的過程中,中硅高科的產品已逐漸接近現有檢測技術的極限,測試過程中干擾因素產生的不可控因素甚至會超過產品本身雜質的含量。而質量穩定是客戶需求的生命線,也是國內特氣生產企業面臨的難題之一。在這種極度矛盾的境況下,不斷探索、改進最前沿的質量管控手段,最終將應用到精密加工領域的SPC技術改良應用到化工生產的工藝過程控制中,從而達到本質型穩定。

【高純屬性轉移】如何使生產出的高純質量產品“高純”地交付到客戶手中,是突破了生產技術關以后企業需要面對的新難題。看似簡單的“交付”二字,也伴隨了太多從無到有的突破和尋找突破道路上的坎坷與疤痕。自動充裝系統的首建、高純儲罐的設計、高純閥門的選型、客戶的特殊要求,幾乎每個新的客戶對于充裝環節都是一個新的要求;配件生命周期的探索、對交付后儲罐的維護要求,是在一次次的教訓之上總結出的精華。經過三年的不懈努力,已經形成了操作流程固化、特殊需求逐漸完善的充裝SOP。

在科技創新的道路上,自主研發從來就是一條艱苦的路。中硅高科孜孜以求,從未放棄自主研發這條路,截止目前,已經擁有專利200余項,并獲得了國家專利金獎。在芯片這條龐大的產業鏈上,中硅研發的成果,從全面國產化的“巨大工程”體量上看,或許還只是星火之勢,但正是這一個個高純產品的自主國產,讓我們看到整個芯片產業鏈完全國產化的希望之光就在眼前。

打造國之利器

總書記說,正所謂“國之利器,不可以示人。只有擁有強大的科技創新能力,才能提高我國國際競爭力。芯片雖小,卻是“國之利器”。通過不斷的技術改造與提升,反復摸索和優化工藝參數,中硅以十余年的多晶硅及相關產品研發和產業化發展經驗為基礎,又經過五年的潛心研發,在電子信息領域和光通訊領域實現了一系列的突破:

--通過自主開發,開展了電子級多晶硅動態循環梯級分離提純技術研究,承擔了電子級高純多晶硅項目和區熔用高純多晶硅項目,突破了高效三氯氫硅精餾技術、尾氣干法回收和超純氫氣純化技術、高純多晶硅還原技術、產品高純后處理技術與檢測方法、雜質含量工程化控制技術等關鍵技術,目前電子級多晶硅產品質量可達到11N以上,解決電子工業基礎領域的關鍵材料基礎薄弱的問題,為高阻區熔硅單晶產業集聚發展提供基礎支撐;

--經過數年研發,通過不斷的技術改造與提升,反復摸索和優化工藝參數,陸續解決了光通訊行業用高純四氯化硅提純、檢測、充裝及儲存等技術難題,產品的順利生產與銷售,成功打破了國外近20年的壟斷,該產品也成為自主研發生產的電子氣產品正硅酸乙酯的重要原材料。

--在集成電路用電子特氣研究方面,成功從多晶硅共生產物中分離和精制出電子級六氯乙硅烷,該產品作為前驅體廣泛應用在先進的12英寸集成電路芯片薄膜生長工藝上,產品附加值極高,目前中硅已成為國內六氯乙硅烷合格供應商。另外,電子級三氯氫硅的研發并投產成功,填補了國內空白,替代進口,實現供應國產化。

--在研發集成電路產業用硅基電子氣體的同時,還進行了配套的全自動充裝技術、系統、檢測技術的研發工作。目前已經成功研發了高純的全自動充裝技術與系統。

--在品質方面,為了保證產品檢測數據更加真實有效和產品質量的準確性,成功研發了集成電路產業用硅基電子特氣的密閉取樣技術與裝置,工藝過程SPC控制,保證產品質量穩定性。

--在標準化方面,以規范國內硅基電子特氣行業標準的初心和情懷,積極起草和參與起草電子特氣、光纖相關產品標準、測試方法標準和產品充裝規范,增加行業影響力。

“窮理以致其知,反躬以踐其實”,中硅高科在科研的道路上敢于走別人沒有走過的路,勇于創造引領世界潮流的科技成果,更矢志不移地致力于科研成果的產業化,因為只有產業化,國家的科技才能走進千家萬戶,才能真正地成為國家實力。如今,新的夢想又在中硅人的心中產生,那就是新一代高良品率、高穩定性的芯片用半導體材料的研發!

勇攀高峰,不是為了讓世界看見,而是為了看見世界。以更廣更寬的視野,做更大更強的事業,不辜負時代賦予的使命,這也是中硅高科堅守的硅業報國的夢想。路漫漫其修遠兮,國“芯”在上下求索奮起直追的道路上,一個個像恩菲人、中硅人這樣有家國情懷的實干者,一個個面對國之重任為夢想拼盡全力的逐夢人,他們,不忘初心、砥礪前行,終將創造行業的輝煌!

責任編輯:郭沛宇

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