國內外硅半導體材料產業現狀及發展

陳興章

(上海市有色金屬學會,上海 200070)

0 前 言

半導體材料是一類具有半導體性能、可用于制作半導體器件和集成電路的電子材料.硅材料是當今產量最大、應用最廣的半導體材料,是集成電路產業和光伏產業的基礎.硅材料的發展對推動我國相關產業實現技術跨越、增強國際競爭力、保持社會經濟可持續發展和保障國家安全均起著重要作用.

2012年11月,上海市有色金屬學會向上海市科學技術協會提交了《上海半導體材料產業技術發展研究報告》,該研究報告以硅半導體材料為重點,概述了國內外(國內主要以上海地區為主)半導體材料產業的現狀,分析了“十二五”期間乃至今后幾年我國半導體材料產業的機遇、存在問題、發展趨勢及主要應用領域的市場需求,提出了上海半導體材料產業技術發展的方向、重點和措施.本文就報告中涉及的國內外硅半導體材料產業現狀及其技術發展部分作一介紹.

1 國內外硅半導體材料產業現狀

1.1 多晶硅

多晶硅是拉制單晶硅的唯一原料,90%以上的微電子器件是在單晶硅片和硅基材料上制作的,電力電子器件亦基本在硅上制作.在光伏產業中,多晶硅也是制取單晶硅、多晶硅錠和準單晶硅錠的唯一原料,約80%的太陽能電池是晶體硅太陽能電池,硅被認為是光伏產業的產能材料.

我國從20世紀50年代中期開始研發高純度多晶硅.60年代中期,多晶硅進入工業化生產,成為當時世界上少數生產多晶硅的國家之一.70年代,由于技術落后、生產規模小、成本高、質量低和缺乏競爭力等原因,多晶硅企業紛紛停產.90年代,由于進口多晶硅的沖擊,我國多晶硅產業每況愈下,最后只剩下峨嵋半導體廠一家[1-2].

2000年以前,全球大部分多晶硅用于滿足半導體產業的需求.隨著全球能源緊張問題的日趨嚴重,極大地推動了德國乃至歐洲太陽能光伏應用市場的發展,多晶硅市場需求隨之快速增長,產能迅速擴張.2004年前后,國內外太陽能電池爆炸式增長造成了全球范圍的多晶硅緊缺,多晶硅價格暴漲,更是激發了我國多晶硅產業的發展熱潮.短短幾年間,我國就建成了十幾家千噸級甚至萬噸級的多晶硅生產企業,其建設速度和技術提升速度之快,堪稱世界之最.

在市場的拉動下,僅幾年時間,我國多晶硅產業就由弱勢轉變成了數萬噸生產能力的產業群,躋身于世界光伏產品生產大國之列.2008年國際金融危機后,我國多晶硅產業依然保持快速增長的勢頭,產量已占全球產量的35%左右,成為繼美國、德國之后的全球多晶硅生產大國.但必須指出,我國生產的多晶硅主要以太陽能級多晶硅為主,國內所需的電子級多晶硅仍主要由美國、德國和日本的多晶硅企業提供,2011年多晶硅的進口量達6.46×104t.圖1為2011年全球多晶硅生產

數據來源:CPIA,2012.04圖1 2011年全球多晶硅生產分布Fig.1 The global production actualities of polysilicon in 2011

分布,表1為2011年全球多晶硅產量排名前十位的企業,表2為2011年我國主要多晶硅企業的產量.由圖1、表1和表2不難看出中國在全球多晶硅生產領域占有重要地位.

表1 2011年全球多晶硅產量前十位企業排名Tab.1 The top ten global enterprises of polysilicon production in 2011

數據來源:PV001光伏網

表2 2010年、2011年中國主要多晶硅企業產量Tab.2 The output of main polysilicon production enterprise in 2010 and 2011

數據來源:企業公開信息

多晶硅的主要應用領域為半導體產業和太陽能產業.按純度要求不同,分為電子級(EG)多晶硅和太陽能級(SG)多晶硅.全球多晶硅市場尤其是電子級多晶硅市場,長期被國際十大多晶硅企業所壟斷.2010年,全球多晶硅產量達1.6×105t,2011年產量達2.4×105t,2012年產量達3.4×105t,預計2015年多晶硅的生產能力將達4.5×105t.圖2為2010—2012年世界多晶硅產量統計和2013～2015年產能預測.

數據來源:(日)《稀有金屬新聞》圖2 2010—2012年世界多晶硅產量統計和2013—2015年產能預測Fig.2 The world’s polysilicon production statistics from 2010 to 2012 and production prediction from 2013 to 2015

1.2 單晶硅

近年來,各種晶體材料特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關高技術產業的發展,成為當代信息技術產業的支柱,并使信息產業成為全球經濟發展中增長最快的先導產業.單晶硅作為一種極具潛能、亟待開發利用的高科技資源,正引起越來越多的關注.當今世界超過2 000億美元的電子通信半導體市場中,95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路應用單晶硅.

近幾年,我國半導體產業及光伏產業的發展給國內硅材料產業帶來了前所未有的機遇,單晶硅產量明顯穩步增長.單晶硅品種有區熔單晶硅和直拉單晶硅.表3為2005—2011年國內不同品種的單晶硅產量及增長率.

由表3可見,由于近年太陽能電池快速發展,帶動了太陽能級單晶硅產量的增長,增幅大,所占比例越來越高.國內生產的單晶硅主要集中于太陽能電池用單晶硅,電子級單晶硅生產因國內優質多晶硅原料供給不足以及市場價格猛漲而受到嚴重影響.由于工藝技術所限,國內集成電路用單晶硅,片尤其是直徑150 mm以上的單晶硅片,還遠遠不能滿足國內集成電路市場的需求.

表3 2005—2011年國內單晶硅產量及增長率Tab.3 The production and growth rate of noncrystal silicon at home from 2005 to 2011

數據來源:北京理德斯普《2012年度國內外硅鍺半導體材料市場分析及預測報告》

1.3 硅 片

硅片是生產太陽能電池的核心材料,我國是太陽能電池用硅片的生產大國,2011年，使用硅片的太陽能電池產量約2.45×107kW,且國內仍有較多的硅片產能計劃.

目前，世界單晶硅片的年產量達5×1012mm2,其中直徑200 mm硅片年需求量達2.5×1012mm2,約合8 000 t單晶硅.世界半導體硅片的前10位生產商分別來自日本、德國、美國、韓國、中國臺灣和芬蘭,市場壟斷十分明顯.

1.3.1 硅拋光片

硅拋光片是集成電路生產的基礎材料,硅拋光片的技術標準與超大規模(ULSI)集成電路技術發展同步.

我國硅拋光片產量,2011年達2.1×1011mm2,比2010年增長25.8%.表4為2005—2011年國內不同規格的硅拋光片產量.

表4 2005—2011年國內不同規格尺寸硅拋光片產量Tab.4 The production of silicon polished section with different specification and dimension at home from 2005 to 2100

由表4可見,國內硅拋光片主要以100 mm、125 mm和150 mm為主,200 mm硅拋光片尚未規?；a,不能滿足國內集成電路發展的需要.

目前國外硅拋光片的主流產品是200 mm和300 mm,而國內硅拋光片的主流產品是100 mm和150 mm,遠遠落后國際二代.

據SEMZ 2012年6月統計,世界量產的集成電路生產線共464條,其中200 mm生產線150條,300 mm生產線80條,預計2017年將有3條量產的450 mm集成電路生產線.預計到2014年,直徑300 mm硅拋光片的需求約以30%的速度增長,遠高于半導體產業的平均增長水平.2014年以前,直徑300 mm硅拋光片仍然屬于賣方市場.中國硅拋光片產量只占全球的4%左右,且主要以150 mm及以下尺寸為主,而國外該類產品的比例已降至10%左右.我國硅拋光片無論質量還是數量,都與國外先進企業存在較大差距.

1.3.2 硅外延片

硅外延片是硅半導體材料中的高檔產品.硅片直徑達到200 mm和300 mm后,硅中存在的源于晶體生長的缺陷會降低器件成品率,而使用硅外延片后,由于硅外延片中的缺陷少.

近三年來,全球半導體硅片(這里僅指硅拋光片及硅外延片兩種主流產品)市場中的硅外延片比例穩定維持在26%左右,硅外延片用量約為硅拋光片的1/3,見圖3(見下頁).

2011年,全球共消耗硅外延片1.48×1012mm2,其中小尺寸(100～150 mm)硅外延片僅占11.3%,200 mm硅外延片約占1/3,300 mm硅外延片達到57.7%.300 mm硅外延片已成為硅外延片產品的主流,見圖4(見下頁).

世界硅外延片市場的總體趨勢是:小尺寸硅外延片萎縮,200 mm硅外延片下滑,300 mm硅外延片增速明顯.目前國內小尺寸(150 mm)硅外延片的月產能達到40萬片次,接近全球需求量的60%.隨著小尺寸外延片市場的逐步萎縮,小尺寸硅外延片陷入價格戰.國內雖具備月產200 mm硅外延片25萬片次的生產能力,但由于200 mm襯底硅拋光片供應不足而限制了其能力的發揮,200 mm硅拋光片的量產已成為國內硅外延片乃至國內半導體產業發展的瓶頸.300 mm硅外延片則全部依賴進口.

數據來源:Shawn Chen《WWX 2011 外延片市場調查》圖3 硅外延片在全球半導體硅片中的份額趨勢Fig.3 The tending of silicon epitaxial wafers share of the global semi-silicon chip圖3中:Q309-2009年第三季度,Q409-2009年第四季度,Q110-2010年第一季度,Q210-2010年第二季度,Q310-2010年第三季度,Q410-2010年第四季度,Q111-2011年第一季度,Q211-2011年第二季度,Q311-2011年第三季度,Q411-2011年第四季度,Q112-2012年第一季度,Q212-2012年第二季度

數據來源:Shawn Chen《WWX 2011 外延片市場調查》圖4 2011年全球硅外延片市場分布Fig.4 The global market distribution of silicon epitaxial wafers in 2011

2 國內外硅半導體材料產業、市場及技術狀況

2.1 產業狀況

半導體材料是近年來全球發展最快的新材料之一.近幾年,由于市場需求的不斷擴大、投資環境的日益改善、優惠政策的吸引以及全球半導體產業向中國轉移等原因,我國集成電路產業保持年均30%的增長率.隨著信息產業的快速發展,特別是光伏產業的迅速發展,進一步刺激了多晶硅、單晶硅等硅半導體材料需求量的不斷增長.對于硅半導體材料的上游原材料多晶硅,目前其產能逐步釋放,供給短缺現象明顯緩解,但產能利用率偏低,進口規模依然偏高.

2.2 市場狀況

近幾年,我國半導體硅材料產業受到很大沖擊,企業利潤大幅下跌.2009年下半年開始探底回升,市場回暖.

全球多晶硅產能近年發展迅速,由2008年以前的不能滿足半導體和光伏產業發展的需求到現在的完全自給自足.世界多晶硅生產能力中的80%用于太陽能,20%用于半導體.2011年多晶硅產量出現供過于求的局面.

2.3 技術狀況

體現硅半導體材料技術進步的專利申請中,企業約占90%,科研院所約占3%,大學約占6%,個人約占1%,這表明企業是專利申請的主體.世界專利申請集中在日、德、美三國.日本申請的專利數占半導體專利申請總數的60%,德國和美國分別占16%和8%.中國申請專利的地區主要是臺灣、陜西和北京.

3 我國硅半導體材料產業的優勢、機遇、存在的問題和發展趨勢

3.1 優 勢

(1) 良好的政策環境.為了規范和促進硅材料產業的健康發展,國家制定出臺了一系列政策、意見.這些政策、意見為多晶硅和與之密切關聯的太陽能電池產業的發展營造了良好的外部環境,創立了巨大的國內市場.

(2) 有利的社會環境.① 人類對能源的需求越來越大,進入20世紀以來,科學技術迅速發展,世界人口急劇膨脹,到21世紀中葉,人口將達100億,對能源的需求越來越大;② 對可持續能源的需求迫切,煤、石油、天然氣等能源的可開采、可使用時間有限,急需發展水力、風力、核能、太陽能、地熱能和海洋潮汐能等新的可持續能源；③ 保護環境需要潔凈可再生可持續的新能源,化工燃料污染大,是溫室氣候的魁首,發展低碳經濟成必然趨勢.太陽能潔凈、無污染、可再生、可持續,取之不竭,用之不盡.光伏基礎材料硅在地殼中的含量占25%以上,資源十分豐富.光伏發電建設快,安裝簡便,可靠性高,在所有能源方式中被認為最為理想,成為目前大規模發展的重要方式.

(3) 技術發展后盾堅實.國家在政策和資金投入上給予了大力扶持,為半導體硅材料產業科技創新和技術發展提供了堅實的后盾.國家明確了發展方向并給予支持的技術：包括低能耗、低成本太陽能級多晶硅生產技術,穩定電子級多晶硅生產技術;高效率、低成本、大尺寸鑄錠技術,準單晶鑄錠技術,150～160 μm以下切片技術;高轉換率、長壽命晶硅電池技術;非晶與微晶相結合的疊層和多結薄膜電池技術等.

(4) 太陽能電池產業規模迅速提高,市場占有率穩居世界前列,促進了太陽能級硅材料的發展.

(5) 掌握關鍵生產技術,產業基礎逐步牢固.國內多晶硅骨干企業已掌握改良西門子法千t級規模生產的關鍵技術,規?；a的穩定性逐步提升.

(6) 主流產品技術與世界同步,產品質量穩步提高.我國晶體硅電池占太陽能電池總產量的95%以上,單晶硅太陽能電池轉換效率達到17%～19%,多晶硅太陽能電池轉換效率為15%～17%,薄膜等新型電池轉換效率約為6%～8%.

(7) 生產設備不斷取得突破,本土化水平不斷提高.國產單晶爐、多晶硅鑄錠爐、開方機等設備逐步進入產業化,占據了國內市場的較大份額.

3.2 發展機遇

(1) 國內光伏市場逐步啟動,裝機量快速增長.我國已相繼出臺了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》、《關于實施金太陽示范工程的通知》等政策,先后啟動了兩批總計290×103kW的光伏電站特許權招標項目.

(2) 我國光伏產業發展空間廣闊.我國光伏產業在制造水平、產業體系和技術研發等方面具有良好的發展基礎,國內外市場前景總體看好,只要加快轉型升級,后期將會迎來更加廣闊的發展空間.

3.3 存在的問題

(1) 多晶硅關鍵技術落后于國際先進水平.全球光伏產業技術發展日新月異,與國際先進水平相比，國內光伏產業在許多方面仍存在較大差距,國際競爭壓力不斷增加.多晶硅關鍵技術仍落后于國際先進水平,晶硅電池生產用高檔設備仍需進口,薄膜電池工藝及裝備水平明顯落后.

(2) 光伏產業配套服務體系建設有待完善.尚需建立健全標準、專利、檢測和認證等配套服務體系,強化光伏行業管理與服務,加強行業自律協作.積極參與國際標準制定,建立完善并符合我國國情的光伏國家/行業標準體系,加快國內認證、檢測等公共服務平臺建設.

(3) 光伏產業政策及市場亟待加強互動.目前國內支持光伏應用的政策體系和促進光伏發電持續發展的長效互動機制尚在建立中.太陽能電池產品多數出口海外市場,產業發展受金融危機和海外市場變化的影響很大,對外市場依存度過高,不利于產業的持續健康發展.

(4) 面臨國際經濟動蕩和貿易保護主義的嚴峻挑戰.近年來,全球經濟發展存在動蕩形勢,一些國家的新能源政策出現調整,相關補貼紛紛下調,對我國光伏產業發展有較大影響.同時,歐、美等國已發生多起針對我國光伏產業的貿易糾紛,類似糾紛今后還會發生.

3.4 發展趨勢

3.4.1 多晶硅

(1) 多晶硅產能逐步釋放,供給短缺現象明顯緩解.得益于全球光伏產業的井噴式發展,旺盛的市場需求極大地推動了我國多晶硅產業的發展.隨著全球多晶硅產能的逐步釋放,多晶硅短缺現象將得到有效緩解.

(2) 多晶硅產能利用率偏低,進口規模依然偏高.多晶硅價格走高,催生了國內多晶硅的投資熱.由于工藝尚不成熟,達產進度緩慢,產能利用率偏低,遠低于80%的國際水平.尤其應進一步提高多晶硅質量,以滿足半導體及高效太陽能單晶制備需求.

3.4.2 單晶硅

(1) 微型化.半導體技術的發展,對硅片的尺寸規格和質量提出更高的要求,適合微細加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大.

(2) 國際化、集團化、集約化.研發及建廠成本的日漸增高,加之現有營銷與品牌的優勢,使硅材料產業形成“大者恒大”的局面,少數集約化的大型集團壟斷材料市場.

(3) 發展硅基材料.隨著光電子和通信產業的發展,硅基材料成為硅材料工業發展的重要方向.主要的硅基材料包括 SOI(絕緣體上硅)、應變硅、GeSi.SOI技術已開始在世界廣泛應用,SOI材料在整個半導體材料市場中的比例增大.

(4) 硅片制造技術進一步升級.世界普遍釆用先進的切、磨、拋和潔凈封裝工藝,硅片制造技術取得明顯進展;最新尖端技術的導入,SOI等高功能晶片的試制開發進入批量生產階段;硅片生產企業增加300 mm硅片設備的投資;針對設計規則的進一步細化,開發高平坦度的硅片和無缺陷的硅片.

3.4.3 硅 片

(1) 半導體硅片(硅拋光片、硅外延片).① 市場區分明顯,小尺寸硅片用于低價功率電路市場,200 mm硅片在邏輯電路市場基本維持,300 mm硅片在記憶體市場轉移迅速；② 預測自2014年開始向450 mm尺寸硅片轉移；③ 市場需求總量仍在上升,但價格明顯下降.

(2) 太陽能硅片.晶硅電池有N型高效電池和P型晶硅電池兩類.美國和日本以22%的高轉換效率引領著N型高效電池的世界潮流,但要求硅片的非平衡少數載流子壽命大于1000 μs.上?？返た颂柲芸萍加邢薰灸芘刻峁┐祟惞杵?應進一步發展.

(3) 絕緣體上硅(SOI)片.絕緣體上硅(SOI)、應變硅、GeSi、金屬柵、低K及高K介質材料等將成為納米尺度極大規模集成電路的高端襯底材料.業界公認,SOI技術已成為納米時代取代現有單晶硅材料的解決方案之一,是維持摩爾定律走勢的利器.SOI具有許多體硅技術不可比擬的優點,SOI電路能成功地應用于高速、低壓、低功耗、抗輻照和耐高溫等領域.SOI技術已被產業界廣為接受.

參考文獻:

[1] 中國有色金屬工業協會.新中國有色金屬工業60年[M].長沙:中南大學出版社,2009.

[2] 《上海有色金屬工業志》編纂委員會.上海有色金屬工業志[M].上海:上海社會科學院出版社,1998.