硅产业调研及基于硅资源深加工的硅材料标准研究(一)

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【摘要】文章对国际与国内硅产业进行了调研，重点对主要产业、主要产品的现状和发展趋势进行了评估和预测，在对硅产业分类的基础上建立了硅材料标准体系。文章以实施标准化战略，助推我国硅产业跨越发展的视角，对有关硅资源深加工的主要产业、主要产品的标准状况进行了分析，探明了标准空白地带，指出了填补、完善的具体项目和措施。

【关键词】硅产业；调研；标准研究

1、引言

基于硅资源深加工的硅材料产业（以下简称硅材料产业）是全球性的朝阳产业和战略性产业，发展势头迅猛，全球60万家硅企业生产的约80亿美元的硅材料，支撑起了2230亿美元的半导体集成电路产业，进一步支撑起数以万亿美元计的电子、计算机、通信等信息产业，全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中，95%以上的半导体器件是用硅材料制作，集成电路的99%以上用硅制作。硅原料和硅制品的产品贸易额达到5000亿美元以上，全球硅业研发机构及学术团体1000多个，行业组织300多个。

当前，各国政府高度重视硅材料产业的发展，如美国、日本、德国、欧盟均制定了诸如21世纪国家纳米纲要、光电子计划、太阳能电池（光伏）发电计划、下一代照明光源计划等新材料、新产业规划。我国政府也高度重视硅产业的发展，先后采取各种措施鼓励、扶持硅材料产业规划与建设。

涉及硅原料和硅产品的国际和各国标准达到8000余项，我国相关标准则不足100项，远远落后于发达国家水平，也不能满足自身快速发展的需要。因此，站在国家战略高度，立足国际、国内硅产业发展态势和市场需求，研究我国硅材料产业及其标准化战略，制定并实施适合我国国情的硅材料标准体系及标准，对提升我国硅产业的国际竞争力具有十分重要的现实意义。

2、国内外硅材料产业调研与分析

2.1工业硅

工业硅及深加工产业是目前国际上的硅产业发展的核心，主要集中在晶体硅材料（单晶硅、多晶硅、硅外延片）和有机硅材料以及石英晶体元器件等方面的生产和研究。

（1）多晶硅

多晶硅材料生产在产业链中处于高端，市场需求旺盛，产品供不应求。主要用于半导体芯片及太阳能

电池芯片、金属陶瓷、宇宙航行、光导纤维通信以及硅有机化合物。生产技术掌握在日本Tokuyama、三菱、住友、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司手中。国际上多种生产工艺路线并存，产业化技术相互封锁和垄断。主要有改良西门子法、硅烷法和流化床法，其中西门子改良法约占世界总产能的80%。短期内技术垄断的局面不会改变，但研发活跃，涌现出冶金法、熔融析出法等新工艺技术。

我国多晶硅质量已能满足集成电路用单晶的要求，但多晶硅核心技术三氯氢硅还原法被上述国外企业垄断，核心技术工艺没有完全掌握，尚不能完全满足高阻区熔硅要求。与国际先进水平相比，生产成本明显偏高（见表1-1），市场竞争力不强。我国60%以上的的多晶硅材料仍需进口。

（2）单晶硅

单晶硅是电子信息材料中最具基础性的半导体类材料。广泛用于国民经济和国防科技中各个领域，如太阳能电能转化、电视、电脑、冰箱、电话、手机、汽车及航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等。

随着集成电路的迅猛发展，对单晶硅的直径要求越来越大，关键设备—单晶炉也不断向大型化发展。单晶硅拉制技术和工艺是世界上晶体硅工业发展的关键。我国依托日本合资企业，已能够稳定生产200mm集成电路级和212mm（8.5英寸）的太阳能光伏电池级的硅单晶，产量占世界21%。但尚不能生产最先进的300mm（12英寸）的硅单晶。

（3）有机硅

有机硅是指含si-c键的有机硅化合物，主要分为单体、中间体和下游产品。单体主要指甲基、苯基、乙烯基氯硅烷等原料。中间体主要指线状或环状体的硅氧烷低聚物，如六甲基二硅氧烷（MM）、八甲基环四硅氧烷（D4）、二甲基环硅氧烷混合物（DMC）等。下游产品则是指中间体通过聚合反应，并添加无机填料或改性助剂制得，主要有硅橡胶、硅油及二次加工品、硅树脂及硅烷偶联剂四大类。

作为新型高科技材料，有机硅应用于航空、军事、建筑、电子电气、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等各个领域，被誉为“工业味精”。

美国道康宁等5大有机硅公司占据了全球96%的市场。目前市场发展的动力最主要在亚洲，我国市场规模占亚洲的近一半。中国蓝星集团通过海外并购成为全球第四大有机硅企业。但我国单体生产技术落后，同时存在品种少、水平低、质量差，产量低的状况。有机硅下游产品有5000多种，我国仅500多种；实际产量仅占国内需求的20%；产品结构上，硅油、硅树脂在加工助剂等市场的应用有待发掘。

2.2半导体硅

半导体硅材料包括多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅等。在集成电路（IC）、硅光电池、传感器、射线探测器、整流器等各类电子元件中占有极为重要的地位，是“微电子”和“现代化电子”的代名词。目前，半导体硅和硅基材料向大直径化、新加工处理工艺以及深亚微米乃至纳米集成电路发展方向发展。

半导体产业是世界经济升级的心脏，Intel、IBM、太阳微、德州仪器等执半导体牛耳，走到了世界技术发展的最前沿。日、德控制的硅片公司占世界硅片销量的90%以上。其中信越（Shin—Etsu）、瓦克（Wacker）、住友（Sumitomo）等四家的销售额占世界硅片销售额的近70%。

我国半导体产业已形成了设计、芯片制造及封装并举的全面发展格局。在全球半导体产业中所占份额由1.2%提高到3.7%，发展势头迅猛。但在半导体硅晶体材料方面，我国高纯度多晶硅、SOI材料（绝缘体用硅）、某些化合物半导体材料等与世界水平仍有一定差距。

2.3光伏硅

随着世界各国特别是欧美发达国家清洁能源政策的实施，光伏市场年均增长速度超过30%，仅2000-2010年，世界光伏电池产量增长了17倍，至今仍在快速增长。

光伏产业链上游是Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi 和Sumitomo等7家多晶硅厂商，产量占到全球总产量的95%以上，垄断全球多晶硅供应；中游是22家硅片（Wafer）厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、DeutscheSolar、Kyocera等，技术难度仅次于多晶硅；其次是太阳能电池（Cell）制造，全球有40余家；下游则是组件生产，全球数量超过200家，技术含量相对较低，属于劳动力密集型产业。

我国已成为世界第一光伏出口大国。近年来，我国部分企业已基本掌握了多晶硅材料的生产工艺，已满足我国50%光伏产品生产需要。光伏生产设备的国产化能力也迅速提高。但装备技术和高纯多晶硅和高端硅产品原材料技术尚未真正掌握，成为当前我国太阳能光伏产业和微电子产业发展的共同瓶颈。表现在现实层面就是我国光伏出口的主要形式是电池组件等下游产品，高附加值的技术出口较少。

然而，国际多晶硅大公司的技术先进性又是很有限度的，其落后点、薄弱点是为我所知的，并可成为我们破解他们技术垄断的切入点和突破点。

2.4人造石英晶体（石英晶体元器件）

人造石英晶体是重要的电子功能材料，信息领域中的重点基础材料之一。随着手机、笔记本电脑、数码相机、汽车及网络等应用产品市场的飞速发展，石英晶体元器件的市场需求日益增长，其中SMD晶体元器件成为主流产品。

日本在石英晶体元器件占有很大优势。其主要晶体厂商基本将其成熟产品迁到我国生产，使我国成为世界上主要的晶体生产国之一，压电晶体产业有了较大的发展。但我国工艺装备相当于国外20世纪80-90年代水平；国内对压电水晶的缺陷控制仍处于宏观控制阶段（国外已进入微观阶段）；国外压电水晶产品以直径76mm-100mm为主，而国内以50mm为主，不能满足信息产品需求。在技术水平、硬件基础、品种系列、资金投入等方面均有待提高。

人工晶体材料将进入分子剪裁与设计阶段，可以对压电性能定量计算，对材料功能基因裁减设计。石英元器件朝轻薄短小、高频、网路化等方向发展。随着我国移动通讯巨大市场的形成和手机国产化步伐的加快，我国对石英晶体产生的SAW（声表面波）器件和SMD（声体波）器件的需求迅速增长，市场前景良好，我国在新产业面前面临机遇和挑战。

2.5石英玻璃

石英玻璃是属于新材料的工业技术玻璃。广泛用于光源、电子、光通讯、仪表、激光、航天、核技术和国防等领域。

石英玻璃生产集中在美、德、法、日、英等国几家跨国公司手中。我国石英玻璃行业历经1989-2000年的引进国外先进技术、技术创新、增加品种和产量的大发展时期，石英玻璃器材的加工技术已达到世界先进水平。目前，国内石英玻璃原料及产品制造应用领域正向半导体和光通讯行业集中，半导体技术和光通讯技术用石英玻璃生产技术提高很快。如立式扩散用石英仪器、大口径石英玻璃管、不透明石英玻璃管等已达国际水平，并大量出口。电光源和家电用的石英玻璃在产量上，已在世界上占主导地位。

但也存在亟待解决的问题：石英原料提纯技术水平较低，产品纯度比国外差，Fe、K、Na等元素含量比国外高几倍，相应产品的羟基含量比国外高出5-6倍；高精度石英光纤玻璃管、大规格石英扩散管、硅片匣、石英钟罩、托盘等高新技术产品，但国内石英玻璃制品尚不能满足。

2.6新型电光源

作为硅材料产业链的延伸，将电光源用石英玻璃与电光源工业相结合起来是个非常好的发展思路。照明产品是国民经济发展和人民生活的必需品，我国基础设施建设、城市亮化工程、工商企业、日常生活等对照明产品的数量和质量的需求都日益增长，尤其是对环保节能高效型的新型电光源需求旺盛，市场前景广阔。

电光源产品历经白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯三代。目前，以半导体发光为光源（LED）的第四代新型电光源时代已经到来，其特点是节能和环保。如：石英玻璃汽车HID灯亮度是卤素灯的3倍、功耗仅为50%、寿命则是十倍。以高档投影灯、液晶监视器冷阴极灯管、汽车用HID灯、LED照明为代表。

国际上新型电光源翘楚为飞利浦（荷），爱普生（日）、优志旺（日），欧司朗（德）、奇异（美）等公司。我国电光源行业依托优质石英资源和较好的石英玻璃管加工能力已形成优势产业集群，能够生产新型汽车灯、节能环保灯、金属卤化物灯、背投电视用放电灯、气体放电灯等30多个系列几百种产品，产品在远销欧美、日韩、东南亚，销售前景良好，发展潜力巨大。但存在种类多但缺乏国际知名品牌，新型电光源产品品种较少的问题。

2.7硅微粉

硅微粉由天然石英或熔融石英经破碎、球磨（或振动、气流磨）、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等工艺加工而成。分为普通、电工级、电子级、熔融石英、超细、纳米等不同类型。

其应用领域由电路封装、塑料、涂料、橡胶、颜料、陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、化妆品等已拓展到高分子复合材料、特种陶瓷、航空、航天、精细化工、抗菌材料、药物载体、大面积电子基板等高新技术领域，享有“材料科学的原点”、“工业味精”之美誉，发展前景十分广阔。

当前，只有美、德、日、俄、加、中等少数国家具备硅微粉生产能力。美国处于领先水平，以通用、尤尼明公司为代表。我国石英储量丰富，但高纯、超高纯、超细硅微粉仍处于起步阶段。长期以来，我国高新技术中使用的高纯超细熔融球形硅微粉全部从美、日进口。国外对球形硅微粉生产技术和专用装备严加封锁，直接威胁着我国信息产业的自主发展与国家信息安全保障。

碳化硅微粉用于冶金、磨料、磨具、耐火材料等，在机械、电子、建材等行业需求量很大，我国尚无碳化硅标准。

碳化硅晶体作为信息功能材料与器件，是第三代（高温宽带隙）半导体材料的代表，极有可能触发新的信息技术革命。在半导体器件的应用方面，碳化硅打破了硅芯片材料本身性能的瓶颈，有可能取代硅作芯片，给电子业带来革命性变革。目前主要应用领域有LED固体照明和高频率器件。美国Cree公司的碳化硅晶片产量为30万片，占世界85%，是全球碳化硅晶片行业的先行者。我国已着手利用自身在硅资源和加工技术方面的优势，破解国外碳化硅生产企业对中国实行的禁运，培育碳化硅晶体产业。考虑密切关注其进展，择机进行标准化介入。

3、标准体系研究与标准制订

3.1标准体系建立及标准制定的原则和办法

我国硅产业起步晚，整体水平距世界先进水平仍有差距。主要表现在：产品链不全，各产品系列均存在不同的空白区域，特别是高技术产品地带；尖端高技术产品线较为单薄，不少关键性产品的生产技术和装备成为发展瓶颈。但发展速度快，主要表现在：产品线全面，特别是中低端产品有相当一部分占据主导地位；引进、吸收国外资本、技术及产业化推广速度快，在部分高端领域居先进地位，发展潜力巨大。基于此，我国电子级硅材料标准体系的建立、标准的制定、标准化的实施原则应是：建立硅材料产业标准整体构架，实现产品全面覆盖；实施不对称发展战略，实现高端领域的重点突破；以点带面，实现产业升级。其具体实施办法是：

（1）建立多晶硅、单晶硅、半导体硅、有机硅、人造压电水晶、石英玻璃制品、硅微粉、新型电光源等产品系列的全面标准体系框架；

（2）对技术成熟、质量稳定，市场占有率高的的硅材料产品，制定国家或行业标准，积极争取国际标准制定主导权。

（3）对我国拥有自主知识产权的高技术材料产品，推行专利标准化战略，争取制定国际标准。

（4）标准化范围不限于产品，对装备、工艺等均考虑其标准化需求。

（5）对属于新增产品类别的新产品、新产业，鼓励先行制定标准联盟统一产品标准，待时机成熟，及时制定国家或行业标准。（待续）

参考文献

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[7]张艳琦.我国LED照明产业标准化现状分析与研究[J].北京：中国标准化，2003.07：40-46

作者简介

苗雪原（1973-），男，高级工程师，主要研究方向为产品质量检验与标准化。

项目来源

江苏省科技支撑计划项目（重要技术标准）（项目编号：BE2011505）。