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中国硅材料产业现状分析

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硅材料是制造半导体器件和太阳能电池的关键材料,面对着两个发展着的产业,一个是半导体产业,一个是太阳能光伏产业。半导体产业已经从原来周期性大起大落,平均增速达17%左右,步入一个增速减缓、起伏不大的新时代;而光伏产业正处在以平均30%的年增长速度迅猛发展的时代。作为这两大产业的主要原料,多晶硅紧缺的局面近期内仍将持续。

1半导体硅片产业

(1)全球半导体硅片产业

全球硅片材料生产主要集中在日、美、德三国,其他还有韩国、马来西亚、芬兰、中国大陆和中国台湾地区。生产的硅片主要有抛光片、外延片、回收片、SOI片及非抛光片等。根据SEMI硅制造商团体(SEMISMG)最新统计,2007年世界半导体用硅片的产量为86.61亿平方英寸(1英寸=25.4毫米),销售额为121亿美元,产量和销售额增长率分别为8%和21%。世界硅片出货量经历了连续6年的增长。2002-2007年世界硅片的产量和销额如表1所示。

从表1可见,在全球硅片总交货面积中抛光硅片约占75%,硅外延片约占20%,而区熔硅片仅占5%左右。硅外延片数量约为硅抛光片的1/3,而价格约为其1.5倍以上。

全球硅片市场在2005年以前为四大和三小厂商所控制,四大即信越、SUMCO、MEMC、瓦克,而三小为小松、东芝陶瓷、LG。2006年SUMCO和小松合并,四大厂商的份额已占全球硅片80%以上。四大硅片厂商规模都很大,年销售额都在10亿美元以上,最大的信越公司年销售额更在30亿美元以上。为保证长期安全生产,四大厂商背后均有财力更大的公司或财团支持,并且为保证自己原材料多晶硅的供应都在多晶硅的生产上占有一定股份。由于半导体硅片领域门槛较高,存在经济和技术上的挑战,近期不大可能有新的大公司进入该领域。而另一方面,从事小直径硅片和其他适当市场的许多小公司也会进入该领域,但这不会改变半导体硅片市场总的格局。日本是世界硅片最大的生产国,所生产的硅片占世界硅片市场份额60%以上。

硅片按直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等规格。随着历史的发展,1980年代是4英寸硅片占主流,1990年代6英寸占主流,2000年代8英寸占主流,但目前正在从8英寸向

12英寸过渡,12英寸硅片增长成为硅片

市场增长的主要动力。2000年12英寸硅

片在世界硅片中仅占1%,2003年占7%,

2005年占20%,预计到2008年将占

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有研半导体材料股份有限公司供稿

表12002-2007年世界硅片的产量和销售额

注:抛光片包括正片、陪片,但不包括回收片。

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30%,而8英寸将下降到54%,6英寸将占11%。

近年来,硅材料加工技术取得了许多重要进展。

硅晶体生长方面最重要的进展之一是12英寸硅单晶生长技术已经成熟。世界主要硅单晶生产商,包括信越、SUMCO、MEMC、瓦克等均采用适合于12英寸硅单晶生长的单晶炉,大都采用磁场直拉法,每炉装料量达300-350公斤,主要应用28或32英寸坩埚和热场进行硅单晶生产。其主要前沿技术包括:1)热场设计技术,即利用计算机模拟技术,模拟晶体生长时热场的温度及其梯度的分布情况,达到晶体质量的改善;2)热屏技术,即利用热屏减少热辐射和热量损失,减少热对流,加快蒸发气体的挥发,加快晶体的冷却;3)双加热器技术,即利用上、下两加热器,保证固液界面有合适的温度梯度;4)磁场技术,即应用磁场控制熔体的对流、抑制熔体表面温度的起伏和降低硅单晶体内间隙氧的浓度;5)籽晶技术,由于大直径硅单晶的重量愈来愈重,开发出二次抓肩技术、无缩颈籽晶技术等。此外,也开发出直拉单晶的再装料和连续加料技术。

硅晶体生长方面另一重要进展是有效控制了晶体中原生颗粒(COP)缺陷的形成。COP缺陷的尺寸在100纳米左右,在8英寸硅片中早已存在,但随着线宽变小到100纳米以下时,这个问题变得更加突出。由于COP缺陷会引起栅极氧化物完整性的退化和隔离的失效,MEMC公司首先开发了这种技术,之后其他主要硅片制造厂商也开发出类似技术。这些技术根据最佳拉晶速率和固-液交界面处的最佳温度,在晶锭的整个长度和直径上抑制两类高度有害缺陷的形成。用这些技术拉制的硅单晶制备的硅抛光片可完全满足器件的要求,因而大大提高了器件的成品率,降低了成本。

在硅片加工方面,12英寸硅单晶抛光片加工技术已经成熟。信越公司从1996年开始,随后其他主要硅片生产商都加入12英寸硅片加工技术的开发。这些技术包括:1)线切割技术,可以大批量切割出硅片,大大减少刀缝损失和表面机械损伤,降低生产成本;2)双面及单面磨削技术,改善了硅片的板形和提高了硅片总厚度变化(TTV)的精度;3)硅片抛光技术是硅片加工中最关键的技术之一,如何改善抛光片的局部平整度的技术是其核心问题,开发出满足0.10微米以下局部平整度要求的双面抛光技术,使12英寸硅片既有很高的平整度,又避免了有蜡抛光的蜡污染。而双面抛光加CMP精抛的工艺,可以达到65纳米的局部平整度;4)硅片清洗技术是硅片加工中另一关键技术,目前国际上已开发出各式各样的清洗技术,如利用各种改进的RCA工艺除去表面金属和有机物沾污,利用超声加兆声(兆赫级)技术除去表面的颗粒沾污,利用各式各样的Marangoni干燥技术进行干燥处理。以便使硅片最终的表面颗粒和金属杂质浓度低于用户要求的标准。

开发了硅片退火技术及热处理技术。根据退火气氛不同,有氢退火、氩退火和氮退火等技术。这些技术可以除去硅片近表面的大多数氧,从而降低硅片的体微缺陷(BMD)密度及改善栅极氧化物完整性。此外,开发出结合内吸杂的快速热处理技术,这些技术包括MEMC研制出MDZ(魔术洁净区)硅片,WACKER开发的FlashWafer(闪存硅片),均有高的吸杂效率,都获得了有效的表面洁净区。

在外延方面,发展了外延优化衬底(EOS,Epi-OptimizedSubstrates)技术,大大降低外延片的成本。成本降低主要通过几方面来实现:硅单晶拉制速度可提高几倍、硅单晶的利用率提高、抛光步骤简化、无需吸杂工艺等。在硅单晶拉制速度提高后,晶体内缺陷尺寸减小,所需的外延层厚度也可以减小,EOS外延成本也将比普通外延低。

(2)中国半导体硅片产业

中国半导体硅材料行业经过四十多年发展已取得相当大的进展,从事半导体硅单晶材料生产的单位约40余家。

我国从事半导体硅单晶和硅片的生产和科研单位有:洛阳单晶硅责任有限公司、宁波立立电子股份有限公司(前身海纳)、有研半导体材料股份有限公司、上海合晶硅材料有限公司(前身晶华)、上海申

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CIC和热磁公司(日资)、无锡华润华晶微电子有限公司、峨嵋半导体材料厂、万向硅峰电子有限公司、华山半导体材料厂、上海通用硅材料有限公司、上海东洋炭素有限公司(日资)、中国电子科技集团公司第四十六研究所、天津市环欧半导体材料技术有限公司(属天津市半导体技术研究所)、

珠海南科公司集团(台资)、昆山矽晶公司(台资)、上海卡姆丹克公司(美资)、新乡华丹电子有限责任公司、湖州新元泰微电子有限公司、北京建中宏发半导体材料有限公司、萧山金鹰电子材料有限公司、成都青洋电子材料有限公司、衡阳科晶微电子有限公司等。

从事硅单晶外延片生产和科研的单位有:河北普兴电子材料有限公司(属中电科集团13所)、南京国盛电子有限公司(属中电科集团55所)、宁波立立电子股份有限公司、华晶外延厂、中科院微电子中心、天津市半导体技术研究所等近10家。

2006年中国半导体用硅单晶产量达551.4吨

(其中直拉475.1吨,区熔76.3吨)。2001-2006年中国半导体单晶硅产量如表2所示。

我国半导体硅材料的产量2001 ̄2006年增加2倍多,由于受到多晶硅材料的制约,2006年半导体直拉硅单晶产量反而有所下降。在此期间,企业的规模也在逐渐壮大,目前国内半导体硅材料企业中年销售额较大的在7 ̄8亿元人民币,但与国际上四大硅片厂商相比,还差得很多。总的来看,全国销售额还不及信越一家公司销售额的1/3。国内硅材料企业均是中小企业,存在着生产规模小、企业分散、产品档次不高的状况。

2006年我国半导体硅抛光

片产量2.55亿平方英寸,外延片产量6229万平方英寸,而

2006年需求量为4.3亿平方英

寸。中国半导体用硅片按各种尺寸的需求如表3所示。

从表3可见,2006年我国半导体用硅片市场以

8英寸需求最大,约占38%;6英寸需求次之,占21%。

下面分别简述我国各种抛光片生产经营情况:

●4、5英寸抛光片

在生产技术方面:单晶的电阻率、体缺陷、氧含量均可控制。轻掺技术上已过关,重掺总体过关,但很低电阻率的单晶实收率不理想。硅片加工在几何尺寸、表面质量上均可控制,但背封工艺不够成熟,背封后弯曲、翘曲的控制需进一步完善。

在经济方面:国内生产4、5英寸抛光片价格比国外低2 ̄3美元;有一定竞争能力;付款周期长,在

3个月以上,大部分原材料需进口,原材料采购成本

较高,特别是多晶硅涨价,加上规模不大,采购成本比国外高。

此外,生产设备大都是二手设备,维修成本很高;由于科技投入少,只求节省成本,质量难以进一

步提高。

总之,国内4、5英寸抛光片生产质量与国外水平相当,生产的硅片数量能满足国内需求。但各生产企业利润很薄,举步维艰。轻掺杂不赚钱,重掺杂稍好。

●6英寸抛光片

在生产技术方面:硅片的有蜡抛光工艺中蜡膜厚度的控制需进一步提高;表面颗粒、缺陷、金属杂质的一致性需进一步改进。

在经济方面:6英寸价格比国外公司要低一些,有一定竞争力;付款比4、5英寸准时,但周期也在3个月以上,原材料采购成本比国外高,特别是多晶硅涨价带来较大影响。

表22001~2006年中国半导体单晶硅产量

数据来源:中国电子材料行业协会,2007-9-4中国电子报

表3

2006年我国半导体硅片市场对各种尺寸硅片的需求

数据来源:赛迪顾问

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总之,国内6英寸抛光片生产已具备产业化条件,数量能满足国内需求的40%。但面临与国际一流厂家激烈竞争,我国企业利润较薄。

●8英寸抛光片

在生产技术方面:.单晶在体缺陷、体内金属杂质、热场工艺方面有待改进;硅片几何参数的控制,主要在0.25μm线宽以下的总平整度(GBIR)、局部平整度(STIR)有待进一步提高;有蜡抛光工艺中蜡膜厚度的控制需进一步提高;表面颗粒、缺陷、金属杂质也有一定差距。

在经济方面:价格比国外公司要低,相当于0.8 ̄0.9美元/英寸2左右。付款周期也长达3个月以上。原材料采购成本比国外高,特别是多晶硅涨价。

总之,国内8英寸抛光片生产与国外有较大差距,跨上生产平台还有相当难度,目前在国内市场占的比例很低,需要尽快上台阶,跟上步伐。

●12英寸抛光片

科技部国家863计划在“十五”期间安排了超大规模集成电路配套材料重大专项。该专项包括由北京有色金属研究总院和有研半导体材料股份有限公司承担的12英寸硅抛光片/外延片研发项目。通过研发,已在2006年底形成具有我国自主知识产权的满足0.10微米技术需求的12英寸抛光片制备工程化技术,形成月产大于1万片的能力,并已在2007年底开发出可覆盖衬底皑缺陷(COP)的2 ̄5微米外延生长工艺技术,形成批量生产能力,满足用户对0.10微米技术优质硅外延片的要求,预计在今后几年中将小批量供应12英寸抛光片,并逐步扩大生产规模,而大部分12英寸抛光片还将依靠进口。

2太阳能硅片产业

(1)全球太阳能硅片产业

当煤炭、石油、天然气等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。现在世界能源约4/5是由含碳矿物燃料提供的,燃料用量逐年增加,二氧化碳排放量越来越大,对人类生存环境造成了严重后果。为改善人类生存空间,保护生态环境,提出了发展绿色能源的要求。

最近在美国旧金山举行的SEMICONWEST2007上,大家公认下一次高技术浪潮将是半导体太阳能技术的发展。太阳能工业协会(SEIA)主席R.Resch预测,到2010年“太阳电池产业消耗的多晶硅将是半导体集成电路产业用量的两倍。如果能继续很好地利用半导体产业技术,提高转换效率,降低成本,则到2015年太阳能发电价格可以与普通电价相当”。

根据PVNews报道,全球光伏产业主要集中在四个地区:欧洲、美国、日本和中国,并维持稳定快速增长。世界光伏电池/组件产量从2000年的288MW猛增到2005年的1759MW,平均年增长率大于30%。根据2004年CreditLyonnaisSecurityAsia公布的投资报告,世界光伏产业将从2004年的70亿美元增加到2010年的300亿美元。IEAPVPS报告估计,2005年全球直接从事光伏产业的人员约7万人。2006年十大光伏电池制造商依次为Sharp、Q-Cells、Kyocera、Suntech、Sanyo、Mistubishi、Motech、ScottSolar、SolarWorld和PBSolar。2007年德国Q-Cells超过日本Sharp居第一位,中国Suntech排在第二位。

工业上适用于制备太阳能电池的材料很多,据PhotonInternational统计,2006年全球太阳能电池产品所用材料中,铸锭多晶硅材料占47%,单晶硅材料占43%,非晶硅材料占4.7%,碲化镉占2.7%,带硅占2.6%,铜铟硒占0.2%。所以,目前硅材料占绝大部分。单晶硅材料电池转换效率高,一般容易达到14 ̄16%,利用聚光及减反射技术,其转换效率可达20 ̄21%,稳定性好,但是成本较高一些;铸锭多晶硅太阳能电池材料则具有稳定的转换效率,一般在13 ̄15%,虽然转换效率比单晶硅低一些,但价格较便宜,特别在大尺寸多晶铸锭炉设备和技术进步的

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推动下,由于性能价格比高,铸锭硅太阳能电池材料已成为全球第一大类太阳能电池材料。虽然目前国际市场上太阳能电池用硅片仍是6英寸占优势,但8英寸近来得到快速的发展。

根据PhotonInternational的估计,2007年全球太阳能电池片产量为2.2GW,产能为5GW。如果2007年太阳能电池生产线满负荷生产,以其中90%使用硅晶体材料并以每兆瓦需要9吨多晶硅计算,则需要多晶硅4万吨。而2007年可供光伏产业使用的多晶硅料约为1.4万吨,所以,近期多晶硅的紧缺是必然的。

晶体硅太阳能电池切片技术有了很大发展。由于采用线切片技术,硅片厚度从早期400-450微米普遍下降到220-240微米,有的更下降到200微米以下,大大降低了硅材料的消耗。预期晶体硅太阳能电池切片技术将在2010年厚度下降到150微米以下,2020年下降到100微米以下。

产业界普遍认为太阳能电池的发展已经历了三个阶段。第一阶段为单晶硅太阳能电池,第二阶段为多晶硅、非晶硅等太阳能电池,第三阶段就是目前正在兴起的薄膜太阳能电池。由于材料和工艺的限制,晶体硅太阳能电池进一步降低成本相当有限,为使太阳能电池的成本降到1美元/瓦以下,薄膜太阳能电池益发得到世界各国的重视。根据预测,到2030年薄膜太阳能电池将占全部光伏市场的30%,从而与晶体硅平分秋色。与晶体硅电池比较,薄膜电池具有以下优点:1)薄膜电池厚度为微米级,比晶体硅厚度薄100倍,大大节省昂贵的半导体材料;2)采用玻璃、不锈钢、塑料等廉价衬底材料;3)低温制备技术,节省了能耗;4)便于大面积连续化生产,降低了制造成本。

薄膜电池有碲化镉电池、铜铟硒电池、砷化镓电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池等,随着太阳能产业的迅猛发展,非晶硅薄膜太阳能电池技术日臻成熟,光电转换效率和稳定性不断提高,市场前景看好,已成为薄膜太阳能电池的主流。目前采用TFT-LCD中用于生产薄膜晶体管的设备来生产薄膜硅太阳电池。据称,欧、美、日的半导体设备供应商都在积极角逐这一市场,已经有10多条40 ̄50MW生产线被订购,估计2008 ̄2009将新增500MW薄膜硅太阳能电池生产能力。

随着太阳能产业的发展,对转换效率和成本必将提出更高的要求,而这些要求只能通过第三代新概念薄膜太阳能技术来实现。对以晶片做的第一代电池和用薄膜做的第二代电池来说,其单一材料(单禁带)的理论转换效率为萧克莱-奎瑟限,转换效率为31%,而采用第三代新概念薄膜技术制备的与太阳光谱相匹配的多结结构的太阳能电池,转换效率要高得多,即所谓热力学限,理论转换效率可达86.8%。但目前工业生产上实际达到的水平还很低,远未达到这些水平,需要进行长期的研究和开发,预计在2020 ̄2030年第三代新概念薄膜技术才会发挥作用。

(2)中国太阳能硅片产业

中国光伏产业近年来得到迅猛发展,由于很好利用了国际资本,继尚德电力于2005年在纽约证券上市后,2006年相继有常州天合、苏州CSI、江苏林洋、南京中电、河北昌澳、保定英利等在美国纽约证券和纳斯达克资本市场上市,迅速募集到扩产需要的数十亿美元,使我国光伏产业得到迅速发展。2006年我国光伏电池产能达到1200MW,比2005年增长280%,光伏组件产量800MW,产能达到2000MW。中国光伏产业已跃居世界第三位,仅次于日本和德国。尚德电力2007年以上升到世界第二位,成为世界知名的光伏品牌。

中国太阳能硅材料行业经近几年发展已取得相当大的进展,从事太阳能电池硅单晶和硅片的生产和科研单位有:河北宁晋单晶硅基地(包括晶龙)、北京明成光电子材料公司(原605厂)、保定天威英利新能源公司、锦州新日硅材料有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏顺达半导体发展有限公司、山东嘉祥石墨制品厂、云南半导体器件厂、宁波晶元太阳能电池厂、绍兴精功太阳能有限公司、镇江环太

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硅科技有限公司、新疆新能源股份有限公司、常州

天合光能有限公司、江苏华日源电子科技有限公司

等10多家。

2001 ̄2006年我国太阳能电池晶体硅产量如表

4所示。

可见我国太阳能电池用晶体硅产量从2001年

到2006年增加11倍。根据“国家发改委/全球环

境基金/世界银行中国可再生能源发展项目”办公

室估计,2005年中国太阳能电池用晶体硅的总产量

约为2436吨,其中:单晶硅2086吨,铸锭硅350吨。

我国多晶硅材料的用量只占14%,这一比例与国外

成鲜明对照,国外多晶硅用量要占53%。在晶体硅

生产能力方面,根据统计,中国太阳能电池用硅晶

体的生产能力为5842吨,其中:单晶硅4850吨,铸

锭硅992吨。2005年我国太阳能电池用晶体硅各厂

商的生产量和生产能力如表5所示。

2006年晶龙集团生产单晶硅1169吨,硅片

2000万片,实现销售收入36亿元、利税8.37亿

元,成为全球主要太阳能硅片生产基地之一。

国内现有制备太阳能用各种硅晶体炉子1500

台以上,其中包括约100多台多晶铸锭炉和约1500

台直拉单晶炉,在直拉单晶炉中,绝大部分为6英寸

单晶炉,8英寸单晶炉只占很少部分。所用的多晶硅

原料绝大部分从国外进口,而所生产的太阳能电池

组件90%以上销往国外,主要是欧洲。

2002 ̄2006年我国晶体硅太阳能产业对太阳能

晶体硅片的需求量和需求金额如表6所示。

从表6可见,2004年以后,太阳能用硅片需求明

显趋旺。2006年中国太阳能电池用硅晶体产量约

3188吨,太阳能用硅片需求为36.1亿英寸2,全部为

非抛光片。在2006年中,我国太阳能用硅片按尺寸

需求如表7所示。

从表7可见,我国太阳能用硅片目前以6英寸

需求最大,其次是8英寸。

需要指出,我国光伏产业高度依赖于出口。根据

中国电子报报道,国内2005年光伏装机量仅5MW,

占本年度太阳能电池产量147.5MW的3.4%,我国

光伏电池出口额达96%以上,说明内需市场发展严

重不足,这将对我国光伏产业的持久发展带来严重

影响。如何增强内需,是我们需要特别关注的问题。

我国太阳能电池用单晶硅生产的优势主要是成

本。具体表现在直拉单晶炉、石英坩埚及太阳能级石

墨均已实现国内加工,电池及组件生产的关键设备

如扩散炉、等离子蚀刻机、清洗机、烧结炉等均已实

现国产化;国内劳动力成本较国外便宜;由于采用线

切片技术,硅片厚度也普遍下降到200-240微米,节

约了成本。国内目前市场上6英寸单晶硅片的价格

在46 ̄50元人民币之间,尚能取得较高的利润。在

拉制太阳能用硅单晶时,在保证质量的前提下,如何

使成本降到最低,有许多降低成本的方法,例如,增

加晶体的生长速度;利用再装料技术可使一个坩埚

拉出更多的单晶;利用半导体级硅单晶的头尾料;使

用半导体工业的次品多晶硅。

表42001~2006年中国太阳能电池晶体硅产量

数据来源:中国电子材料行业协会,2007-9-4中国电子报

表52005年我国太阳能电池用晶体硅的产量和生产能力

表62002~2006年我国光伏产业对太阳能晶体硅片的需求

资料来源:赛迪顾问报告2007

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CIC表72006年我国太阳能用硅片按尺寸需求

资料来源:赛迪顾问报告2007

近年来,铸锭多晶硅朝大锭方向发展,已铸出65cm×65cm方型硅锭,重量240公斤,硅材料实收

率达83.8%。铸锭尺寸增大使产率、实收率提高,也使晶粒尺寸增大、硅材料纯度提高,这是铸锭多晶硅明显优于直拉单晶硅的地方。铸锭多晶硅材料的性质主要受杂质和缺陷的影响,常见有害杂质有氧、碳和过渡金属铁等,缺陷主要有晶粒、

位错和晶粒内微缺陷。这些杂质、缺陷被认为是降低铸锭多晶硅太阳能电池效率的主要原因。由于多晶硅的生产工艺不断取得进展,目前铸锭多晶硅太阳电池的最高效率已达20.3%,而产业化的效率一般在15%左右。铸锭硅片的价格比单晶硅片便宜2 ̄3元,在价格上具有优势。虽然

铸锭硅片在转换效率比单晶低1 ̄2个百份点,但切割成的铸锭硅片是严格正方形的,而单晶硅片是准方形的,在组装成组件时,多晶硅片的组件的有效面积要比单晶组件大5%。

3原材料多晶硅生产情

(1)全球多晶硅生产情况

多晶硅是生产半导体和太阳

能电池的主要原料,按纯度要求不同,分为电子级和太阳能级。电子级多晶硅的特点是高纯度,其纯度

已达到10到11个”9”:太阳能级多晶硅纯度一般在8个“9”到6个“9”之间。在2004年以前,太阳能级多晶硅的来源主要是电子级多晶硅生产过程中所产生的等外品和电子级单晶硅的头尾料和埚底料。在2004年以后,出现专门生产太阳能级多晶硅

的工厂,但产量相对较小。

由于近年来全球光伏产业持续高速发展,太阳能用多晶硅供应紧张,价格一路上涨,从2003年的24美元/公

斤上升到2005年的60美元/公斤,

2006年初上升到100-125美元/公斤,2006年底上

升到300美元/公斤,2007年12月更哄抬到400美元/公斤。

根据日本稀有金属新闻报道,2004 ̄2006年世界多晶硅产量如表8所示。美、日、德三国的七家公司控制了10个多晶硅厂,产量占全球总产量的

90%以上。

为缓解多晶硅供应紧张的局面,国际多晶硅供应商正在加紧投资扩产。2005—2010年全球多晶硅的扩产计划如表9所示。

尽管全球多晶硅的出货量递增迅速,但没有太阳能电池产能的递增速度快,因此多晶硅依然处于缺货状态,人们预计在2010年之前多晶硅的价格都

将维持高位运行。

目前多晶硅生产工艺技术可以分为三类:

1)改良西门子法:以HCl(或Cl2、H2)和冶金

级工业硅为原料,制取三氯氢硅,由SiHCl3氢还原的生产工艺。这种方法生产的多晶硅占世界总产能

表82004-2006年世界多晶硅产量(单位:吨)

表92005-2010年全球多晶硅的生产计划

来源:PrometheusInstitute2006

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的78%左右,仍是目前的主流工艺技术。2)硅烷法:以SiCl4和冶金级硅为原料制取硅

烷,由SiH4分解生产多晶硅的生产工艺。

3)以氟硅酸、

钠、铝、氢为主要原辅材料、制取硅烷、由SiH4热分解生产多晶硅的工艺。

为了降低成本,满足太阳能电池行业发展需求,国际上正在研发的低成本太阳能多晶硅生产工艺技术有:

1)Tokuyama用“VLD”工艺管式反应器的Si-HCl3+H2还原法;

2)Wacker用FBR反应器的SiHCl3+H2还原

法;

3)SGS/Asimi用FBR反应器的SiH4热分解法;4)Jssi用硅管代替硅芯做载体的SiH4热分解

法;

5)GTI用硅管代替多用硅芯做载体(发热体)

的SiHCl3+H2的还原(分解)法。

在这些技术中,FBR型多晶硅生长反应器将是生产太阳能多晶硅的首选,其次是正在研发的管式反应器和运用新型载体的新型西门子型反应器。

其它正在研发中的生产方法包括:

1)直接对冶金级工业硅加以提纯,把纯度为99.5%左右的冶金级硅的杂质至少降低四个数量

级。相关公司有Heliotronic、Elkem、Astropower、

Kawasaki、Steeletal等;

2)二氧化硅与高纯碳反应制太阳能多晶硅。3)硅的卤化物与高纯度物质(如Al、Zn、Na)

发生质量反应生产太阳能多晶硅。

到2010年,预计全球将出现许多新的多晶硅生产厂商,如表10所示。

(2)中国多晶硅生产情况

我国目前只有峨嵋、新光硅业、洛阳中硅三家公司生产多晶硅,2004年全国多晶硅产量仅58吨,而需求量为2280吨。2005年估计多晶硅产量80吨,而需求量为3800吨。2006年估计多晶硅产量287吨,而需求量为4000吨以上。2007年洛阳中硅高科技公司300吨多晶硅厂运营良好,二期年产700吨扩建工程已于2007年5月投产,将形成千吨级的生产能力,估计2007年生产多晶硅500多吨。四川新光硅业年产1260吨多晶硅生产线已于2007年2月底投产,预计2007年该公司多晶硅总产量可达300

吨;此外,四川峨眉半导体材料厂

2007年产量估计为180吨。总之,2007年中国多晶硅产量估计为1100吨。2002 ̄2007年中国多晶硅

产量如表11所示。

由于对未来太阳能产业前景看好,近年来国内各大太阳能企业正在飞速发展,多晶硅的供应严重短缺,引发大量资本投向多晶硅行业。近年来我国多晶硅生产和投资情况如表12所示。

当前,我国多晶硅投资过热,据初步统计,国内已上马和筹建多晶硅项目产能已达5万吨,预计投放的资金达400亿元以上。多晶硅企

业的投资资金和技术门槛都很高,

表10全球将出现的新的多晶硅生产厂商产能估计

来源:PrometheusInstitute2006

表112002~2007年中国多晶硅产量

数据来源:《2005年中国半导体硅材料行业调研报告》,中国

电子报2007-12-4

表12我国多晶硅生产和投资情况

资料来源:中国电子报2007-9-11,

一个千吨规模的项目,投资在10多亿元人民币,如果技术不过关,产品成本高,形成盲目投资和低水平重复建设的局面,则必然会带来行业混乱,造成资源和能源的浪费,给企业和国家造成损失。

4我国硅材料产业

存在问题、对策和建议

(1)我国硅材料产业存在的主要问题

我国半导体硅材料产业近年得到迅速发展,但存在如下问题:

◆我国半导体材料产业处在较快成长期,4、5、6英寸硅片产业已能满足0.5 ̄0.35微米工艺的要

求,但是高端硅片如8和12英寸硅片,绝大部分仍需进口,产量远不能满足国内市场发展的需求。原材料价格普遍上涨,而用户仍要求降价,导致我国半导体硅片生产企业的效益普遍不高;

◆我国太阳能电池产业面临高速发展的形势,

但是由于高度依赖国外市场,内需严重不足,生产出的晶片、电池和模组的95%销往国外,国内仅用

5%。

◆当前我国多晶硅投资过热。

据初步统计,国内已上马和筹建多晶硅项目产能已达5万吨,预计投

放的资金达400亿元以上。

◆我国半导体硅材料企业在技术上和市场上未

能得到较大发展的重要原因之一是创新不足。

◆政府对硅材料

产业关注不够,出台政策鼓励没有考虑硅片材料企业。政府往往注意了产业链的某一个环节,而没有照顾到产业链的各个组成部分。

(2)对策和建议

◆制定国家对微

电子产业研究与开发的鼓励政策,出台的新政策不仅应考虑集成电路设计、制造、封装、测试的产业发展,也应考虑微电子材料产业的发展。在政策导向、法律法规、财政税收等方面提供强有力的支持,呼吁处在产业链各环节中的企业积极地投入到合作的关系中来;

◆需要加强对新的微纳电子配套材料研发的

力度,宜在“十一五”期间设立专项,增加政府对微电子材料研究的投入。加强300mm单晶硅和外延技术以及硅基工程衬底材料工艺技术的研究。加强微电子材料的研发平台和产业链的建设。

◆以企业为主体,建立面向市场的产、学、研相结合的生产技术合作体系。鼓励对微电子材料共性技术进行联合开发,同时积极寻求国际合作,组成研发联合体。参加单位分摊资金,按比例派出研发人员,资源共享,研发成果共享。

项目结束后,所有资产包括场地和设备,按折价拍卖给需要的企业。

◆加强研发多晶硅制备工艺技术,由于我国多

晶硅企业缺乏大生产的技术,加上人才不足,多晶硅

(下转第69页)

厂家在投产后将在生产成本、产品质量、节能减排和回收利用等方面面临严峻挑战,国家有关部门需对多晶硅投资加强宏观引导,一定要慎重审核新建项目。

◆国家相关部门应从战略高度认真研究我国可再生能源的发展战略,加速推动国家光伏产业发展战略和具体扶持细则措施的出台。鼓励和支持太阳能电池等新能源项目,有计划扩大太阳能电池的使用范围并逐步做到规范并网,扩大内需。在国外,光伏并网发电的大规模使用起到了非常重要的作用,例如在德国和日本,光伏并网发电已占到整个光伏产业的70%以上,我国应当促进电力部门增加投入力度,大力开发与并网有关的技术。例如,蓄电技术、自动并网技术等。同时也应当鼓励中国的建筑部门尽快进入住宅的光伏发电领域,研究和开发光伏发电与建筑物集成化(BIPV)技术,例如光伏幕墙等。

点。同时由于液体下填充料的热膨胀系数不能减低很多,导致最终产品的应力水平较高,从而影响可靠性的进一步提高。通过改变模塑料的性能,可以使模塑料在模压过程中填充到芯片下面,起到下填充料的作用,又同时可以完成灌封(encapsulation)保护,提高生产效率。汉高华威已经初步开发出适合这一应用的产品,在模压过程中没有任何模塑问题产生。目前已经提供客户进行进一步考核。

参考文献

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作者简介

谢广超,南京大学化学工程硕士在读研究生。现为汉高华威电子有限公司研发中心(江苏省集成电路封装材料工程技术研究中心)产品研发工程师,主要从事环氧模塑料(EMC)的研究与开发工作,并在国内外期刊及全国学术会议上发表论文20余篇。目前主要负责开发适于各种半导体器件封装的绿色环保环氧模塑料。

图9镀镍框架的粘结对比

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