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)、完善的具體項目和措施。

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

Silicon Industry Investigate and Silicon Material Standard Research Based on Deep Processing of Silicon Resources （1）

Miao Xue-yuan Cheng Shang-xu Bo Lei-ming

（Donghai Quality Technical Supervision Bureau，Lianyungang，222300，China）

Abstract：In this article， the silicon industry of international and domestic was investigated， the writers made the assessment and prediction on the status and development trend of the major industries and the main products ，and established the silicon material standard system on the basis of classification in the silicon industry. Standed by the standardization strategy and the development of silicon industry， this paper analyzed the standard conditions of major industries and the main products of deep processing of resources on silicon， and pointed out to fill， complete specific projects and measurement.

Keywords： cilicon industry，investigate，standard research

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)以萬億美元計的電子、計算機(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，行業(yè)組織300多個。

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、光電子計劃、太陽能電池（光伏）發(fā)電計劃、下一代照明光源計劃等新材料、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、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，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則不足100項，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。

表1-1 國內(nèi)外多晶硅消耗指標(biāo)對比表（以1kg多晶硅計）

內(nèi)容單位國內(nèi)消耗國外消耗

結(jié)晶硅粉kg61.5

氫氣Nm3450.5

液氯Kg201.5

還原爐電耗Kw.h約500120

（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、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、薄弱點是為我所知的，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(lǐng)域中的重點基礎(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)計階段，可以對壓電性能定量計算，對材料功能基因裁減設(shè)計。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代已經(jīng)到來，其特點是節(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”、“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)對中國實行的禁運(yùn)，培育碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)。考慮密切關(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?。基于此，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，實現(xiàn)產(chǎn)品全面覆蓋；實施不對稱發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)高端領(lǐng)域的重點突破；以點帶面，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。其具體實施辦法是：

（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)，鼓勵先行制定標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，待時機(jī)成熟，及時制定國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（待續(xù)）