1、引言
基于硅資源深加工的硅材料產業(以下簡稱硅材料產業)是全球性的朝陽產業和戰略性產業,發展勢頭迅猛,全球60萬家硅企業生產的約80億美元的硅材料,支撐起了2230億美元的半導體集成電路產業,進一步支撐起數以萬億美元計的電子、計算機、通信等信息產業,全球超過2000億美元的電子通信半導體市場中,95%以上的半導體器件是用硅材料制作,集成電路的99%以上用硅制作。硅原料和硅制品的產品貿易額達到5000億美元以上,全球硅業研發機構及學術團體1000多個,行業組織300多個。
當前,各國政府高度重視硅材料產業的發展,如美國、日本、德國、歐盟均制定了諸如21世紀國家納米綱要、光電子計劃、太陽能電池(光伏)發電計劃、下一代照明光源計劃等新材料、新產業規劃。我國政府也高度重視硅產業的發展,先后采取各種措施鼓勵、扶持硅材料產業規劃與建設。
2、國內外硅材料產業調研與分析
2.1工業硅
工業硅及深加工產業是目前國際上的硅產業發展的核心,主要集中在晶體硅材料(單晶硅、多晶硅、硅外延片)和有機硅材料以及石英晶體元器件等方面的生產和研究。
(1)多晶硅
多晶硅材料生產在產業鏈中處于高端,市場需求旺盛,產品供不應求。主要用于半導體芯片及太陽能、電池芯片、金屬陶瓷、宇宙航行、光導纖維通信以及硅有機化合物。生產技術掌握在日本Tokuyama、三菱、住友、美國的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司,德國的Wacker公司手中。國際上多種生產工藝路線并存,產業化技術相互封鎖和壟斷。主要有改良西門子法、硅烷法和流化床法,其中西門子改良法約占世界總產能的80%。短期內技術壟斷的局面不會改變,但研發活躍,涌現出冶金法、熔融析出法等新工藝技術。
我國多晶硅質量已能滿足集成電路用單晶的要求,但多晶硅核心技術三氯氫硅還原法被上述國外企業壟斷,核心技術工藝沒有完全掌握,尚不能完全滿足高阻區熔硅要求。與國際先進水平相比,生產成本明顯偏高(見表1-1),市場競爭力不強。我國60%以上的的多晶硅材料仍需進口。
表1-1 國內外多晶硅消耗指標對比表(以1kg多晶硅計)
(2)單晶硅
單晶硅是電子信息材料中最具基礎性的半導體類材料。廣泛用于國民經濟和國防科技中各個領域,如太陽能電能轉化、電視、電腦、冰箱、電話、手機、汽車及航天飛機、宇宙飛船、人造衛星等。隨著集成電路的迅猛發展,對單晶硅的直徑要求越來越大,關鍵設備—單晶爐也不斷向大型化發展。單晶硅拉制技術和工藝是世界上晶體硅工業發展的關鍵。我國依托日本合資企業,已能夠穩定生產200mm集成電路級和212mm(8.5英寸)的太陽能光伏電池級的硅單晶,產量占世界21%。但尚不能生產最先進的300mm(12英寸)的硅單晶。
(3)有機硅
有機硅是指含si-c鍵的有機硅化合物,主要分為單體、中間體和下游產品。單體主要指甲基、苯基、乙烯基氯硅烷等原料。中間體主要指線狀或環狀體的硅氧烷低聚物,如六甲基二硅氧烷(MM)、八甲基環四硅氧烷(D4)、二甲基環硅氧烷混合物(DMC)等。下游產品則是指中間體通過聚合反應,并添加無機填料或改性助劑制得,主要有硅橡膠、硅油及二次加工品、硅樹脂及硅烷偶聯劑四大類。作為新型高科技材料,有機硅應用于航空、軍事、建筑、電子電氣、紡織、汽車、機械、皮革造紙、化工輕工、金屬和油漆、醫藥醫療等各個領域,被譽為“工業味精”。
美國道康寧等5大有機硅公司占據了全球96%的市場。目前市場發展的動力最主要在亞洲,我國市場規模占亞洲的近一半。中國藍星集團通過海外并購成為全球第四大有機硅企業。但我國單體生產技術落后,同時存在品種少、水平低、質量差,產量低的狀況。有機硅下游產品有5000多種,我國僅500多種;實際產量僅占國內需求的20%;產品結構上,硅油、硅樹脂在加工助劑等市場的應用有待發掘。
2.2 半導體硅
半導體硅材料包括多晶硅、單晶硅、硅外延片以及非晶硅、澆注多晶硅等。在集成電路(IC)、硅光電池、傳感器、射線探測器、整流器等各類電子元件中占有極為重要的地位,是“微電子”和“現代化電子”的代名詞。目前,半導體硅和硅基材料向大直徑化、新加工處理工藝以及深亞微米乃至納米集成電路發展方向發展。
半導體產業是世界經濟升級的心臟,I nt el、I BM、太陽微、德州儀器等執半導體牛耳,走到了世界技術發展的最前沿。日、德控制的硅片公司占世界硅片銷量的90%以上。其中信越(Sh in—Etsu)、瓦克(Wacker)、住友(Sumitomo)等四家的銷售額占世界硅片銷售額的近70%。
我國半導體產業已形成了設計、芯片制造及封裝并舉的全面發展格局。在全球半導體產業中所占份額由1.2%提高到3.7%,發展勢頭迅猛。
但在半導體硅晶體材料方面,我國高純度多晶硅、SOI材料(絕緣體用硅)、某些化合物半導體材料等與世界水平仍有一定差距。
2.3 光伏硅
隨著世界各國特別是歐美發達國家清潔能源政策的實施,光伏市場年均增長速度超過30%,僅2000-2010年,世界光伏電池產量增長了17倍,至今仍在快速增長。光伏產業鏈上游是Hemlock、Wacker、Tokuyama、R EC、MEMC、Misubishi 和Sumitomo等7家多晶硅廠商,產量占到全球總產量的95%以上,壟斷全球多晶硅供應;中游是22家硅片(Wafer)廠商,包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、DeutscheSolar、Kyocera 等,技術難度僅次于多晶硅;其次是太陽能電池(Cell)制造,全球有40余家;下游則是組件生產,全球數量超過200家,技術含量相對較低,屬于勞動力密集型產業。
我國已成為世界第一光伏出口大國。近年來,我國部分企業已基本掌握了多晶硅材料的生產工藝,已滿足我國50%光伏產品生產需要。光伏生產設備的國產化能力也迅速提高。但裝備技術和高純多晶硅和高端硅產品原材料技術尚未真正掌握,成為當前我國太陽能光伏產業和微電子產業發展的共同瓶頸。表現在現實層面就是我國光伏出口的主要形式是電池組件等下游產品,高附加值的技術出口較少。然而,國際多晶硅大公司的技術先進性又是很有限度的,其落后點、薄弱點是為我所知的,并可成為我們破解他們技術壟斷的切入點和突破點。
2.4 人造石英晶體(石英晶體元器件)
人造石英晶體是重要的電子功能材料,信息領域中的重點基礎材料之一。隨著手機、筆記本電腦、數碼相機、汽車及網絡等應用產品市場的飛速發展,石英晶體元器件的市場需求日益增長,其中SMD晶體元器件成為主流產品。
日本在石英晶體元器件占有很大優勢。其主要晶體廠商基本將其成熟產品遷到我國生產,使我國成為世界上主要的晶體生產國之一,壓電晶體產業有了較大的發展。但我國工藝裝備相當于國外20世紀80-90年代水平;國內對壓電水晶的缺陷控制仍處于宏觀控制階段(國外已進入微觀階段);國外壓電水晶產品以直徑76mm-100mm為主,而國內以50mm為主,不能滿足信息產品需求。在技術水平、硬件基礎、品種系列、資金投入等方面均有待提高。
人工晶體材料將進入分子剪裁與設計階段,可以對壓電性能定量計算,對材料功能基因裁減設計。石英元器件朝輕薄短小、高頻、網路化等方向發展。隨著我國移動通訊巨大市場的形成和手機國產化步伐的加快,我國對石英晶體產生的SAW(聲表面波)器件和SMD(聲體波)器件的需求迅速增長,市場前景良好,我國在新產業面前面臨機遇和挑戰。
2.5 石英玻璃
石英玻璃是屬于新材料的工業技術玻璃。廣泛用于光源、電子、光通訊、儀表、激光、航天、核技術和國防等領域。
石英玻璃生產集中在美、德、法、日、英等國幾家跨國公司手中。我國石英玻璃行業歷經1989-2000年的引進國外先進技術、技術創新、增加品種和產量的大發展時期,石英玻璃器材的加工技術已達到世界先進水平。目前,國內石英玻璃原料及產品制造應用領域正向半導體和光通訊行業集中,半導體技術和光通訊技術用石英玻璃生產技術提高很快。如立式擴散用石英儀器、大口徑石英玻璃管、不透明石英玻璃管等已達國際水平,并大量出口。電光源和家電用的石英玻璃在產量上,已在世界上占主導地位。
但也存在亟待解決的問題:石英原料提純技術水平較低,產品純度比國外差,Fe、K、Na等元素含量比國外高幾倍,相應產品的羥基含量比國外高出5-6倍;高精度石英光纖玻璃管、大規格石英擴散管、硅片匣、石英鐘罩、托盤等高新技術產品,但國內石英玻璃制品尚不能滿足。
2.6 新型電光源
作為硅材料產業鏈的延伸,將電光源用石英玻璃與電光源工業相結合起來是個非常好的發展思路。照明產品是國民經濟發展和人民生活的必需品,我國基礎設施建設、城市亮化工程、工商企業、日常生活等對照明產品的數量和質量的需求都日益增長,尤其是對環保節能高效型的新型電光源需求旺盛,市場前景廣闊。
電光源產品歷經白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈三代。目前,以半導體發光為光源(LED)的第四代新型電光源時代已經到來,其特點是節能和環保。如:石英玻璃汽車HID燈亮度是鹵素燈的3倍、功耗僅為50%、壽命則是十倍。以高檔投影燈、液晶監視器冷陰極燈管、汽車用HID燈、LED照明為代表。
國際上新型電光源翹楚為飛利浦(荷),愛普生(日)、優志旺(日),歐司朗(德)、奇異(美)等公司。我國電光源行業依托優質石英資源和較好的石英玻璃管加工能力已形成優勢產業集群,能夠生產新型汽車燈、節能環保燈、金屬鹵化物燈、背投電視用放電燈、氣體放電燈等30多個系列幾百種產品,產品在遠銷歐美、日韓、東南亞,銷售前景良好,發展潛力巨大。但存在種類多但缺乏國際知名品牌,新型電光源產品品種較少的問題。
2.7 硅微粉
硅微粉由天然石英或熔融石英經破碎、球磨(或振動、氣流磨)、浮選、酸洗提純、高純水處理等工藝加工而成。分為普通、電工級、電子級、熔融石英、超細、納米等不同類型。其應用領域由電路封裝、塑料、涂料、橡膠、顏料、陶瓷、膠粘劑、玻璃鋼、化妝品等已拓展到高分子復合材料、特種陶瓷、航空、航天、精細化工、抗菌材料、藥物載體、大面積電子基板等高新技術領域,享有“材料科學的原點”、“工業味精”之美譽,發展前景十分廣闊。
當前,只有美、德、日、俄、加、中等少數國家具備硅微粉生產能力。美國處于領先水平,以通用、尤尼明公司為代表。我國石英儲量豐富,但高純、超高純、超細硅微粉仍處于起步階段。長期以來,我國高新技術中使用的高純超細熔融球形硅微粉全部從美、日進口。國外對球形硅微粉生產技術和專用裝備嚴加封鎖,直接威脅著我國信息產業的自主發展與國家信息安全保障。
碳化硅微粉用于冶金、磨料、磨具、耐火材料等,在機械、電子、建材等行業需求量很大,我國尚無碳化硅標準。碳化硅晶體作為信息功能材料與器件,是第三代(高溫寬帶隙)半導體材料的代表,極有可能觸發新的信息技術革命。在半導體器件的應用方面,碳化硅打破了硅芯片材料本身性能的瓶頸,有可能取代硅作芯片,給電子業帶來革命性變革。目前主要應用領域有LED固體照明和高頻率器件。美國Cree公司的碳化硅晶片產量為30萬片,占世界85%,是全球碳化硅晶片行業的先行者。我國已著手利用自身在硅資源和加工技術方面的優勢,破解國外碳化硅生產企業對中國實行的禁運,培育碳化硅晶體產業??紤]密切關注其進展,擇機進行標準化介入。
?歡迎進入【粉體論壇】
更多精彩!歡迎掃描下方二維碼關注中國粉體技術網官方微信(bjyyxtech)
|