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简述多晶硅、单晶硅、石英玻璃坩埚市场之现状

信息来源:nooeoo.com  时间:2009-04-14  浏览次数:241

  络为代表的信息革命浪潮,正在从各个方面推动着社会进步,改变着人民的生活方式,提高人民的生活水平,所有这些进步和发展,主要由于半导体硅片上所制成的微细集成电路芯片及由各种芯片和器件制成的各种电器所引起和推动的(半导体器件的95%以上使用硅材料制成的,硅片被称作集成电路的核心材料,硅材料的发展和集成电路的发展紧密相关)。另外,在现在国防和军事方面,电子信息化武装的武器装备在现在战争中发挥着越来越重要的作用,甚至起着决定战争胜负的关键性作用。所以,这一切的发展和需要,都是建立在半导体硅材料及各种化合物半导体材料的基础之上的。发达的国家国民经济总产值增长部分的65%与ic工业相关,而全球90%以上的ic工业都是采用硅片。国际社会普遍认为,微电子工业的发展状况标志着一个国家科技水平、现代化水平和综合国力强弱。为此,半导体材料和微电子技术的发展越来越受到各国政府和各界人士的关注,多国的政府对该行业都予以重点扶持,并斥之巨资发展信息产业。二、多晶硅
  多晶硅是生产单晶硅最关键的材料,世界先进的多晶硅技术一直有美、日、德三国的七家公司垄断着(据《2003年世界多晶硅生产与需求状况》统计数据显示,美国黑姆洛克半导体公司、德国瓦克化学电子公司、美国先进硅材料公司和日本德山曹达公司等四家企业年生产能力总和为21600吨,占世界总产能的75%,其中企业“自用”只占总产能的25%),各公司都有各自的技术秘密和技术特点,经过不断的研究、开发,发展了不同的生产工艺。目前以“改良西门子工艺”为主,其产能占总产量的77%,2003年世界多晶硅产量为23150吨,其中用“改良西门子法”生产的多晶硅19500吨,占总产量的84.23%。我国多晶硅原料95%以上依赖进口,我国的硅单晶材料发展迅速,但关键的多晶硅原材料的自给能力却很低,2003年国内只能生产了不到80吨的多晶硅,但却消耗了近1500吨的多晶硅,95%以上由国外高价进口,致使我国半导体硅单晶工业陷入了受制于外国的尴尬、被动局面。
  多晶硅产量主要由系统能力、还原炉和副产物的利用方式所决定。国际上最大的还原炉有十几对至五十对硅芯的,多晶硅单炉产量5-7吨。在多晶硅的生产中,电力消耗是巨大的,其成本中电耗约占40%以上,因此降低多晶硅成本的关键在于降低电耗与物耗,必须采用如下四种技术:
  多硅芯大还原炉技术,提高产量并节电。
  还原炉的冷却由水冷改为热导油技术,然后将余热充分用到精馏、干法回收等工艺中去,降低综合电耗。
  还原尾气采用干法回收技术,将尾气中的氢气、氯化氢、三氯氢硅及四氯化硅全部分离并回收。
  副产品四氯化硅在一定温度和压力下氢化,生成三氯氢硅,精馏后返回还原系统使用。
  和为降低物耗。此外,还可以利用精馏过程中产生的高、低沸物制造有机硅产品,达到综合利用的效果。
  我国多晶硅工业起步于50年代,50年代中期实现产业化,70年代初曾盲目发展,生产厂多达20余家,但由于生产规模小,工艺技术落后,消耗大,成本高,绝大部分企业亏损而相继停产或转产,到2004年只剩下峨眉山半导体材料厂一家生产,产能为100t/a,2004年产量不足80吨。目前,我国2000年在四川峨眉山半导体材料厂基础上兴建一条年产1000吨的多晶硅生产线;洛阳单晶硅公司和北京有色金属设计院合资设立洛阳中硅公司,正在建设年产300吨的多晶硅生产线,项目完成后,我国多晶硅的年产能力可达1300-1400吨。
  我国集成电路的增长、硅片生产和太阳能电池的发展,大大带动了硅材料的增长,2004年我国多晶硅需求量为2280吨,2005年需求量为2882吨,到2010年预计需求5000吨。据太阳能电池生产企业提供的数据统计,每生产1m太阳能电池需耗12-14吨多晶硅,太阳能电池的发展将大大带动多晶硅需求的增加,有关专家预测2010年我国仅用于太阳能电池的多晶硅就需4365吨,到2015年可需求16200吨。2003年世界太阳能电池产量为744mw,共消耗多晶硅8700吨,2004年太阳能电池产量为1000mw,共消耗多晶硅12000吨;2003年全世界多晶硅总产量为23150吨,2004年总产量为27000吨,比2003年增长了16.63%。
  国外多晶硅产量完全可满足集成电路用直拉单晶硅和电力电子器件用区拉单晶硅的的需求,直拉单晶硅商品所需的多晶硅都是直接装炉的免腐蚀和清洗料,其纯度可达7-11个“9”。
  从我国多晶硅发展的现状看,其生产技术、制造成本、产品产量和质量与世界水平相比差距之大。同时,国内市场的多晶硅产品严重短缺,不能满足国内单晶硅生产的需求。因此,我国必须加快多晶硅的发展步伐,独立自主,自力更生,打破国外对多晶硅生产技术的封锁,走出自己的发展道路,在现有年产一千多吨多晶硅的基础上,争取到2010年形成2000-3000吨年产能力(据有关专家指出:多晶硅要具有竞争能力,年生产能力必须达到千吨以上,并实行“改良西门子法”生产的多晶硅企业才能够参与国际市场竞争)。
  综观世界半导体级多晶硅的生产技术,现在主要是以“改良西门子法”生产的棒状多晶硅为主,以“流化床技术”生产的粒状多晶硅为辅。采用“改良西门子法”改进的大型还原炉,这种大还原炉生产的主要优点是能耗低、成本小、产量高、质量稳,同时采用综合利用技术,对环境不产生污染,具有明显的竞争优势。但随着今后单晶硅直径增大的市场要求,石英坩埚尺寸随着需求增加到极限时,可能会加大采用连续供料拉晶法,从而将加大对粒状多晶硅的需求量。多晶硅的国际市场价格,2001年夏季前在52-48美元/kg,2001年夏季以后到目前,世界多晶硅价格一直在40美元/kg上下波动,多晶硅厂家的经营状况严峻。三、硅单晶
  我国硅单晶从1980年至1994年的15年间年产量在40-50吨之间,自1995年开始,年平均增长率在30%左右,近八、九年时间,我国大陆硅单晶产量增长了二、三十倍,截止到2002年,我国从事硅单晶研究和生产的单位和厂家已达到35家,硅单晶年产量达770吨,销售额高达11亿元,2003年全国硅单晶产量达到了1190吨。
  在美国“9.11”事件西方经济低迷的形势下,我国半导体硅材料的发展势头也未减缓。但我国硅材料行业总体技术水平还比较低,企业分散,生产规模小。硅单晶产品结构以6英寸和4英寸fz硅单晶为主流产品,可提供部分集成电路和各种分立器件芯片制造。1998年-2003年国内硅单晶的产量从217.45吨增加到1190吨,年增长率为27.5%,8英寸抛光片可提供小量产品,12英寸硅片处于研发阶段。目前,我国出口的硅单晶产主要以太阳能级硅、较低档次的单晶硅棒以及较小尺寸(7.5cm
  随着集成电路集成度的不断提高,已从k位、m位发展到gb位,电路线宽不断缩小,已进入纳米时代,达到90nm,并向65nm和45nm更小线宽尺寸迈进。为此,对硅材料提出了越来越高的要求,要求制造深亚微米级超大规模集成电路的硅单晶性能非常完美。另一方面,由于国际市场竞争激烈,出于降低成本的目的,不断要求增大硅单晶的直径,目前世界硅单晶的主流直径逐步从200mm转变到300mm,已经开始300mm直径的工业化生产,日本超级硅研究所在2003年第三届硅材料先进科学和工艺会上宣布340mm硅单晶的制造工艺,预计2014年达到量产。直径450mm的硅单晶也已在实验室研究成功。高速发展的深亚微米级的集成电路对硅材料的要求,既要求大直径化,又要求晶体性能完美无缺。据不完全统计,全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条,主要分布在美国和我国台湾等国家和地区,仅我国台湾就将建设20条生产线,其次是日、韩、新及欧洲,国际市场上300mm硅片的各项实用技术已日趋完善,其中美、日、台、韩已在1999年开始,就逐步扩大300mm硅片产量。
  纵观世界半导体和电子工业强国的发展道路和历史经验充分说明:半导体硅和微电子工业的发展,是技术密集、资金密集的高技术产业,它是一个蓬勃发展的新兴的朝阳产业,对推动国民经济的整体发展发挥着无可替代的重大作用。该行业单靠企业自身是不易发展起来的。因此,信息和电子工业发达国家的政府都高度重视这一产业,并在政策上、税收上给予倾斜和照顾,在资金上给予支持和投入,使得这些国家在这一行业得以迅速发展。目前全世界半导体硅工业和集成电路芯片最发达的国家和地区,如美、日、欧、韩及中国台湾地区就是在政府扶持下发展起来的,他们拥有全球约90%的集成电路市场,消耗了全球80%以上的硅片。所以说,政府把这个行业作为国民经济发展的重点来扶持和投入是成功的关键因素。
  我国目前硅单晶和硅片生产、加工技术与国际水平相比差距很大,国内硅片的商用化水平是100mm-150mm,只能小批量生产200mm硅片,而国际硅片主流的商用化水平是200mm,已经可以量产300mm硅片,且主流产品有逐步从200mm向300mm过度的趋势。国内生产的150mm-200mm的硅片虽然价格很低,但产品质量难以达到客户的要求,也很难进入国际市场。要解决这个问题,在技术和资金上都存在很大问题,而且有较大的风险。为此,我国开发大直径、高质量的硅单晶及硅片,应走引进技术和资金、进行合资建设的路子,以我国巨大的市场需求来换取外商的投资。因为大直径硅片工厂的建设需要先进的技术和巨额资金,只有寻求与国际知名的大公司合作,才是一条快捷的发展之路。中外合资建设大直径硅片厂有如下好处:一是可以直接利用国际大公司的先进技术和成熟工艺,迅速缩短我国硅材料与国际水平的差距,同时可缩短研制、开发和工业化的进程;二是利用了国际知名公司的品牌和国际营销网络,其产品可以在较短时间内获得客户的质量认可,从而迅速进入国际市场;三是利用了国外资金,减少了自己的投资风险。四、石英玻璃坩埚
  硅单晶材料是电子工业的基础材料,硅单晶的生产是以直拉法为主的,所以必然对拉制单晶用的石英玻璃坩埚提出更高的要求。其市场使用数量急剧增加,规格尺寸要求增大,性能指标更加严格。
  世界上拉制单晶用的石英玻璃坩埚均采用电弧法生产,我国也不例外。亦将水晶粉末置于高速旋转的石墨模具中,使其靠离心率附着于石墨模具内壁,并使水晶粉的形状与预制的石英制品相同,然后用电弧间接加热,把水晶粉料融化成玻璃,经冷加工后即可制得预定的石英制品。
  80年代末,我国从日本东芝陶瓷公司引进了一条8-12寸的石英坩埚生产线,当时只有两台生产坩埚的电弧炉。而现在伴随着电子工业的迅速发展,我国在引进、消化、吸收的基础上,自己研制设备,探讨工艺,增加品种,成功的研制和生产出14-16寸大规格石英玻璃坩埚,并已投入正常生产,如今生产企业已有7家,生产坩埚的电弧炉已拥有20余台。其中生产规模较大的有:圣戈班石英公司、荆州菲利华石英公司、上海新沪玻璃厂、北京605厂等。生产设备不断改进,生产技术不断提高,目前产品的主要性能已达到国外同类产品的水平。现在,国内电弧法制造的大规格石英玻璃坩埚年产能力已达130吨,销售额达7000万人民币,占国内总需求量的70%,国内总需求量折合人民币约为一亿元,其余部分是从美国eg公司进口的14"、16"、22"和24"的坩埚。
  下步对石英玻璃坩埚改进和加强的工作重点综合起来,有如下六个方面:
  试制更大尺寸的石英玻璃坩埚,以满足电子工业进一步发展的需要。
  提高纯度,避免二次污染(生产硅单晶用石英玻璃坩埚全部使用进口的超高纯石英砂加工而成,目前大多数生产厂家使用美国尤尼明公司进口的超高纯石英砂原料)。
  减少尺寸公差,以便提高坩埚和石墨衬套的互换性和通用性。
  建立一套生产技术和质量保证体系。
  制定统一的行业标准,以确保产品质量。
  争取开拓国际市场。五、附注:《美国尤尼明公司简介》
  美国尤尼明公司成立于1970年,从一个小型的玻璃砂矿业公司发展为世界上占主导地位的非金属工业矿物原料制造公司之一,是全球目前最大的超高纯石英砂制造商,该公司所生产的超高纯石英砂在世界上占据了“霸主”地位,并拥有世界最大的石英砂研究、开发机构,该机构设立在斯普鲁斯番地区,主要任务是做好超高纯石英砂的基础研究和应用研究,中试工厂立足于现有可利用的各种资源,完全模仿矿物处理和提纯工艺全过程,中试工厂作为独立的或辅助的过程试验,为工艺的最佳优化以及工艺改革和新产品开发提供最基本数据。该公司的经营目标是“达到和超过半导体工业对高纯石英砂的要求指标”。其主要超高纯石英砂产品介绍如下:
  标准料99.998%纯sio2,生产低膨胀系数的透明石英玻璃,用于高温封接的汞灯、卤钨灯以及低成本商业品质的半导体石英制品。
  99.999%纯sio2,生产透明石英玻璃,具有独特的精度和抗析晶能力,其专门的处理工艺使k、li、na总合为1.4ppm,用于工艺管、硅片处理、石英块、提单晶硅用的半导体用坩埚。
  99.9991%纯sio2,生产石英玻璃,k、li、na总合为0.5ppm,fe为0.15ppm,用于低碱的石英制品、扩散管及固体内杂质不允许扩散的cz型坩埚。
  99.9992%纯sio2,生产超高纯石英玻璃,用于12"或更大尺寸硅片,设计用于高要求的领域,本产品的k、li、na总合降到80十亿分之一,关键的过度金属之和小于50ppb,主要用于大直径坩埚,改进粘度,坩壁很稳定,高的纯度使对合成衬垫的需求减少。
  

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