硅產(chǎn)業(yè)調(diào)研及基于硅資源深加工的硅材料標(biāo)準(zhǔn)研究（一）

【摘要】文章對國際與國內(nèi)硅產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了調(diào)研，重點(diǎn)對主要產(chǎn)業(yè)、主要產(chǎn)品的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了評估和預(yù)測，在對硅產(chǎn)業(yè)分類的基礎(chǔ)上建立了硅材料標(biāo)準(zhǔn)體系。文章以實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，助推我國硅產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的視角，對有關(guān)硅資源深加工的主要產(chǎn)業(yè)、主要產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)狀況進(jìn)行了分析，探明了標(biāo)準(zhǔn)空白地帶，指出了填補(bǔ)、完善的具體項(xiàng)目和措施。

【關(guān)鍵詞】硅產(chǎn)業(yè)；調(diào)研；標(biāo)準(zhǔn)研究

1、引言

基于硅資源深加工的硅材料產(chǎn)業(yè)（以下簡稱硅材料產(chǎn)業(yè)）是全球性的朝陽產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，發(fā)展勢頭迅猛，全球60萬家硅企業(yè)生產(chǎn)的約80億美元的硅材料，支撐起了2230億美元的半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)，進(jìn)一步支撐起數(shù)以萬億美元計(jì)的電子、計(jì)算機(jī)、通信等信息產(chǎn)業(yè)，全球超過2000億美元的電子通信半導(dǎo)體市場中，95%以上的半導(dǎo)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(chǎn)品貿(mào)易額達(dá)到5000億美元以上，全球硅業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)及學(xué)術(shù)團(tuán)體1000多個(gè)，行業(yè)組織300多個(gè)。

當(dāng)前，各國政府高度重視硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如美國、日本、德國、歐盟均制定了諸如21世紀(jì)國家納米綱要、光電子計(jì)劃、太陽能電池（光伏）發(fā)電計(jì)劃、下一代照明光源計(jì)劃等新材料、新產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。我國政府也高度重視硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先后采取各種措施鼓勵(lì)、扶持硅材料產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與建設(shè)。

涉及硅原料和硅產(chǎn)品的國際和各國標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到8000余項(xiàng)，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則不足100項(xiàng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家水平，也不能滿足自身快速發(fā)展的需要。因此，站在國家戰(zhàn)略高度，立足國際、國內(nèi)硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢和市場需求，研究我國硅材料產(chǎn)業(yè)及其標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，制定并實(shí)施適合我國國情的硅材料標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)，對提升我國硅產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、國內(nèi)外硅材料產(chǎn)業(yè)調(diào)研與分析

2.1工業(yè)硅

工業(yè)硅及深加工產(chǎn)業(yè)是目前國際上的硅產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jī)硅材料以及石英晶體元器件等方面的生產(chǎn)和研究。

（1）多晶硅

多晶硅材料生產(chǎn)在產(chǎn)業(yè)鏈中處于高端，市場需求旺盛，產(chǎn)品供不應(yīng)求。主要用于半導(dǎo)體芯片及太陽能

電池芯片、金屬陶瓷、宇宙航行、光導(dǎo)纖維通信以及硅有機(jī)化合物。生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)工藝路線并存，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)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(chǎn)能的80%。短期內(nèi)技術(shù)壟斷的局面不會改變，但研發(fā)活躍，涌現(xiàn)出冶金法、熔融析出法等新工藝技術(shù)。

我國多晶硅質(zhì)量已能滿足集成電路用單晶的要求，但多晶硅核心技術(shù)三氯氫硅還原法被上述國外企業(yè)壟斷，核心技術(shù)工藝沒有完全掌握，尚不能完全滿足高阻區(qū)熔硅要求。與國際先進(jìn)水平相比，生產(chǎn)成本明顯偏高（見表1-1），市場競爭力不強(qiáng)。我國60%以上的的多晶硅材料仍需進(jìn)口。

（2）單晶硅

單晶硅是電子信息材料中最具基礎(chǔ)性的半導(dǎo)體類材料。廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)和國防科技中各個(gè)領(lǐng)域，如太陽能電能轉(zhuǎn)化、電視、電腦、冰箱、電話、手機(jī)、汽車及航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等。

隨著集成電路的迅猛發(fā)展，對單晶硅的直徑要求越來越大，關(guān)鍵設(shè)備—單晶爐也不斷向大型化發(fā)展。單晶硅拉制技術(shù)和工藝是世界上晶體硅工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。我國依托日本合資企業(yè)，已能夠穩(wěn)定生產(chǎn)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(chǎn)量占世界21%。但尚不能生產(chǎn)最先進(jìn)的300mm（12英寸）的硅單晶。

（3）有機(jī)硅

有機(jī)硅是指含si-c鍵的有機(jī)硅化合物，主要分為單體、中間體和下游產(chǎn)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(huán)狀體的硅氧烷低聚物，如六甲基二硅氧烷（MM）、八甲基環(huán)四硅氧烷（D4）、二甲基環(huán)硅氧烷混合物（DMC）等。下游產(chǎn)品則是指中間體通過聚合反應(yīng)，并添加無機(jī)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(lián)劑四大類。

作為新型高科技材料，有機(jī)硅應(yīng)用于航空、軍事、建筑、電子電氣、紡織、汽車、機(jī)械、皮革造紙、化工輕工、金屬和油漆、醫(yī)藥醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，被譽(yù)為“工業(yè)味精”。

美國道康寧等5大有機(jī)硅公司占據(jù)了全球96%的市場。目前市場發(fā)展的動力最主要在亞洲，我國市場規(guī)模占亞洲的近一半。中國藍(lán)星集團(tuán)通過海外并購成為全球第四大有機(jī)硅企業(yè)。但我國單體生產(chǎn)技術(shù)落后，同時(shí)存在品種少、水平低、質(zhì)量差，產(chǎn)量低的狀況。有機(jī)硅下游產(chǎn)品有5000多種，我國僅500多種；實(shí)際產(chǎn)量僅占國內(nèi)需求的20%；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，硅油、硅樹脂在加工助劑等市場的應(yīng)用有待發(fā)掘。

2.2半導(dǎo)體硅

半導(dǎo)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(xiàn)代化電子”的代名詞。目前，半導(dǎo)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(fā)展方向發(fā)展。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是世界經(jīng)濟(jì)升級的心臟，Intel、IBM、太陽微、德州儀器等執(zhí)半導(dǎo)體牛耳，走到了世界技術(shù)發(fā)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（Shin—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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已形成了設(shè)計(jì)、芯片制造及封裝并舉的全面發(fā)展格局。在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中所占份額由1.2%提高到3.7%，發(fā)展勢頭迅猛。但在半導(dǎo)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(dǎo)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(fā)達(dá)國家清潔能源政策的實(shí)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(chǎn)量增長了17倍，至今仍在快速增長。

光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游是Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi 和Sumitomo等7家多晶硅廠商，產(chǎn)量占到全球總產(chǎn)量的95%以上，壟斷全球多晶硅供應(yīng)；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(shù)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(chǎn)，全球數(shù)量超過200家，技術(shù)含量相對較低，屬于勞動力密集型產(chǎn)業(yè)。

我國已成為世界第一光伏出口大國。近年來，我國部分企業(yè)已基本掌握了多晶硅材料的生產(chǎn)工藝，已滿足我國50%光伏產(chǎn)品生產(chǎn)需要。光伏生產(chǎn)設(shè)備的國產(chǎn)化能力也迅速提高。但裝備技術(shù)和高純多晶硅和高端硅產(chǎn)品原材料技術(shù)尚未真正掌握，成為當(dāng)前我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共同瓶頸。表現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)層面就是我國光伏出口的主要形式是電池組件等下游產(chǎn)品，高附加值的技術(shù)出口較少。

然而，國際多晶硅大公司的技術(shù)先進(jìn)性又是很有限度的，其落后點(diǎn)、薄弱點(diǎn)是為我所知的，并可成為我們破解他們技術(shù)壟斷的切入點(diǎn)和突破點(diǎn)。

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(lǐng)域中的重點(diǎn)基礎(chǔ)材料之一。隨著手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、汽車及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用產(chǎn)品市場的飛速發(fā)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(chǎn)品。

日本在石英晶體元器件占有很大優(yōu)勢。其主要晶體廠商基本將其成熟產(chǎn)品遷到我國生產(chǎn)，使我國成為世界上主要的晶體生產(chǎn)國之一，壓電晶體產(chǎn)業(yè)有了較大的發(fā)展。但我國工藝裝備相當(dāng)于國外20世紀(jì)80-90年代水平；國內(nèi)對壓電水晶的缺陷控制仍處于宏觀控制階段（國外已進(jìn)入微觀階段）；國外壓電水晶產(chǎn)品以直徑76mm-100mm為主，而國內(nèi)以50mm為主，不能滿足信息產(chǎn)品需求。在技術(shù)水平、硬件基礎(chǔ)、品種系列、資金投入等方面均有待提高。

人工晶體材料將進(jìn)入分子剪裁與設(shè)計(jì)階段，可以對壓電性能定量計(jì)算，對材料功能基因裁減設(shè)計(jì)。石英元器件朝輕薄短小、高頻、網(wǎng)路化等方向發(fā)展。隨著我國移動通訊巨大市場的形成和手機(jī)國產(chǎn)化步伐的加快，我國對石英晶體產(chǎn)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(chǎn)業(yè)面前面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.5石英玻璃

石英玻璃是屬于新材料的工業(yè)技術(shù)玻璃。廣泛用于光源、電子、光通訊、儀表、激光、航天、核技術(shù)和國防等領(lǐng)域。

石英玻璃生產(chǎn)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(yè)歷經(jīng)1989-2000年的引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新、增加品種和產(chǎn)量的大發(fā)展時(shí)期，石英玻璃器材的加工技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。目前，國內(nèi)石英玻璃原料及產(chǎn)品制造應(yīng)用領(lǐng)域正向半導(dǎo)體和光通訊行業(yè)集中，半導(dǎo)體技術(shù)和光通訊技術(shù)用石英玻璃生產(chǎn)技術(shù)提高很快。如立式擴(kuò)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(dá)國際水平，并大量出口。電光源和家電用的石英玻璃在產(chǎn)量上，已在世界上占主導(dǎo)地位。

但也存在亟待解決的問題：石英原料提純技術(shù)水平較低，產(chǎn)品純度比國外差，F(xiàn)e、K、Na等元素含量比國外高幾倍，相應(yīng)產(chǎn)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(guī)格石英擴(kuò)散管、硅片匣、石英鐘罩、托盤等高新技術(shù)產(chǎn)品，但國內(nèi)石英玻璃制品尚不能滿足。

2.6新型電光源

作為硅材料產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，將電光源用石英玻璃與電光源工業(yè)相結(jié)合起來是個(gè)非常好的發(fā)展思路。照明產(chǎn)品是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的必需品，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市亮化工程、工商企業(yè)、日常生活等對照明產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的需求都日益增長，尤其是對環(huán)保節(jié)能高效型的新型電光源需求旺盛，市場前景廣闊。

電光源產(chǎn)品歷經(jīng)白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈三代。目前，以半導(dǎo)體發(fā)光為光源（LED）的第四代新型電光源時(shí)代已經(jīng)到來，其特點(diǎn)是節(jié)能和環(huán)保。如：石英玻璃汽車HID燈亮度是鹵素?zé)舻?倍、功耗僅為50%、壽命則是十倍。以高檔投影燈、液晶監(jiān)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(yōu)志旺（日），歐司朗（德）、奇異（美）等公司。我國電光源行業(yè)依托優(yōu)質(zhì)石英資源和較好的石英玻璃管加工能力已形成優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)集群，能夠生產(chǎn)新型汽車燈、節(jié)能環(huán)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(gè)系列幾百種產(chǎn)品，產(chǎn)品在遠(yuǎn)銷歐美、日韓、東南亞，銷售前景良好，發(fā)展?jié)摿薮?。但存在種類多但缺乏國際知名品牌，新型電光源產(chǎn)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(jīng)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(xì)、納米等不同類型。

其應(yīng)用領(lǐng)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(fù)合材料、特種陶瓷、航空、航天、精細(xì)化工、抗菌材料、藥物載體、大面積電子基板等高新技術(shù)領(lǐng)域，享有“材料科學(xué)的原點(diǎn)”、“工業(yè)味精”之美譽(yù)，發(fā)展前景十分廣闊。

當(dāng)前，只有美、德、日、俄、加、中等少數(shù)國家具備硅微粉生產(chǎn)能力。美國處于領(lǐng)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(xì)硅微粉仍處于起步階段。長期以來，我國高新技術(shù)中使用的高純超細(xì)熔融球形硅微粉全部從美、日進(jìn)口。國外對球形硅微粉生產(chǎn)技術(shù)和專用裝備嚴(yán)加封鎖，直接威脅著我國信息產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)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(jī)械、電子、建材等行業(yè)需求量很大，我國尚無碳化硅標(biāo)準(zhǔn)。

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(dǎo)體材料的代表，極有可能觸發(fā)新的信息技術(shù)革命。在半導(dǎo)體器件的應(yīng)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(yè)帶來革命性變革。目前主要應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)量為30萬片，占世界85%，是全球碳化硅晶片行業(yè)的先行者。我國已著手利用自身在硅資源和加工技術(shù)方面的優(yōu)勢，破解國外碳化硅生產(chǎn)企業(yè)對中國實(shí)行的禁運(yùn)，培育碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)?？紤]密切關(guān)注其進(jìn)展，擇機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化介入。

3、標(biāo)準(zhǔn)體系研究與標(biāo)準(zhǔn)制訂

3.1標(biāo)準(zhǔn)體系建立及標(biāo)準(zhǔn)制定的原則和辦法

我國硅產(chǎn)業(yè)起步晚，整體水平距世界先進(jìn)水平仍有差距。主要表現(xiàn)在：產(chǎn)品鏈不全，各產(chǎn)品系列均存在不同的空白區(qū)域，特別是高技術(shù)產(chǎn)品地帶；尖端高技術(shù)產(chǎn)品線較為單薄，不少關(guān)鍵性產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)和裝備成為發(fā)展瓶頸。但發(fā)展速度快，主要表現(xiàn)在：產(chǎn)品線全面，特別是中低端產(chǎn)品有相當(dāng)一部分占據(jù)主導(dǎo)地位；引進(jìn)、吸收國外資本、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化推廣速度快，在部分高端領(lǐng)域居先進(jìn)地位，發(fā)展?jié)摿薮??；诖?，我國電子級硅材料?biāo)準(zhǔn)體系的建立、標(biāo)準(zhǔn)的制定、標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施原則應(yīng)是：建立硅材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)整體構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全面覆蓋；實(shí)施不對稱發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)高端領(lǐng)域的重點(diǎn)突破；以點(diǎn)帶面，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。其具體實(shí)施辦法是：

（1）建立多晶硅、單晶硅、半導(dǎo)體硅、有機(jī)硅、人造壓電水晶、石英玻璃制品、硅微粉、新型電光源等八大產(chǎn)品系列的全面標(biāo)準(zhǔn)體系框架；

（2）對技術(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定，市場占有率高的的硅材料產(chǎn)品，制定國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，積極爭取國際標(biāo)準(zhǔn)制定主導(dǎo)權(quán)。

（3）對我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)材料產(chǎn)品，推行專利標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，爭取制定國際標(biāo)準(zhǔn)。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化范圍不限于產(chǎn)品，對裝備、工藝等均考慮其標(biāo)準(zhǔn)化需求。

（5）對屬于新增產(chǎn)品類別的新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)先行制定標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，待時(shí)機(jī)成熟，及時(shí)制定國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（待續(xù)）

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作者簡介

苗雪原（1973-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)化。

項(xiàng)目來源

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）（項(xiàng)目編號：BE2011505）。