半导体最重要材料电子级多晶硅即将全面国产化

知识点：多晶半导体材料

电子级多晶硅作为半导体原材料，通过拉单晶制作成硅棒，然后经过一系列处理做成半导体。由于硅原子的最外层电子数是 4，原子序数适中，所以硅元素具有特殊的化学特性。正是因为硅的这种特性，其主要应用在化学，光伏，电子等领域。特别是在电子领域，正是利用硅材料介于导体与绝缘体中间的元素属性，制造了现代工业的“石油”-芯片。在光伏领域，利用光电效应原理，光子可以改变硅原子之间的共价键，从而衍生了太阳能发电的应用。另外地球的地壳中硅元素占比达到 25.8%，而且开采较为方便，可回收性强，所以价格比其 他材料要低，这样的特点更加增强了硅的应用范围。 

电子级多晶硅按生产类型分为电子级直拉(简称 CZ)多晶硅和区熔(简称 FZ)多晶硅，直拉 电子级多晶硅是制备集成电路的关键基础材料，直拉法多晶硅将棒状多晶硅破碎成块状，通 过清洗去除表面金属杂质，然后将块状多晶硅放在坩埚中加热使之熔融，夹住一块单晶硅的 籽晶，将它悬浮在坩埚之上，一端插入熔体直到融化，然后再缓慢旋转并向上提拉，生长单 晶硅，直拉法块状多晶硅生产出的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元件。全球 15%的硅 片由区熔法制备，拉出的单晶硅尺寸主要为 8 英寸、6 英寸，是制作整流器、IGBT 等大功 率器件的主流技术。区熔法利用高频线圈在区熔多晶硅棒靠近籽晶一端形成一个熔化区，熔 化区靠表面张力不流淌，移动硅棒或线圈使熔区朝晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单 晶硅棒。这种方法较直拉法而言，制备晶体时不使用坩埚，因此避免了来自坩埚的污染。由 于其具有纯度高、含氧量低、污染度低、电阻率高（杂质分凝和蒸发效应）、耐高压的特性， 在功率器件市场仍然扮演者重要的角色，与块状多晶硅生产相比区熔级多晶硅技术更复杂， 是电子级多晶硅里的高端产品。 

2019 年全球电子级多晶硅产量约3.5万吨，区熔多晶硅产量约3000吨，我国进口电子 级多晶硅约 3500 吨，其中区熔级多晶硅约 300 吨。其中美国 Hemlock 约 9000 吨、德国 Wacker 约 6000 吨、日本 Tokuyama 约 5500 吨、日本住友约 2500 吨、日本和美国三菱约 2500 吨、REC 约 1300 吨。其中美国 REC 和德国 Wacker 具备批量生产区熔级多晶硅的能力。

由于电子级多晶硅市场和关键生产技术长期被国外垄断，导致国内电子级多晶硅产品纯 度普遍比国外品质略差，大多能用于生产 6 寸以下半导体硅片，国内没有企业能够生产用于 拉制 12 英寸半导体大硅片的电子级多晶硅。国内区熔级多晶硅，没有自主生产技术。 

当前 5G 普及导致终端的含硅量上升，区块链技术的爆发，全球半导体产业逐步向中国 市场转移，中国半导体材料市场稳步增长，下游 8-12 英寸晶圆企业密集扩产，如果产能全 部释放，晶圆迎来爆发式增长，按照电子级多晶硅成品率 80%，单晶转化率 90%估算，国内 未来来电子级多晶硅进口需求将达到 15,000 吨，缺口巨大，制约我国集成电路产业的发展， 国产替代势在必行。

多晶硅制造的过程可以通过冶金级硅提纯、电子级多晶硅提纯

冶金级硅提纯：冶金级硅制造厂的原料是石英矿石，石英矿石的主要原料是二氧化硅 （SiO2）。首先将石英矿石进行脱氧提纯，主要工艺有分选，磁选，浮选，高温脱气等等。主要将矿石中的主要杂质去除掉，比如铁、铝等杂质。在得到相对较纯的 SiO2 后，经过化 学反应，生成单质硅。主要反应为 SiO2+C→Si+CO，一氧化碳为气体，反应完成后直接挥发 掉。所以只剩下硅晶体。此时的硅为多晶体硅，并且为粗硅，存在一些杂质比如铁，铝，碳， 硼，磷，铜等等元素。

电子级多晶硅生产壁垒

技术和人才壁垒

      电子级多晶硅纯度要求 9-13N，生产必须采用杂质可控的生产设备、管 道，且生产装置施工安装过程需严格清洗，控制生产系统的洁净度，从装置建设之初即需控 制生产系统的污染。必须严格筛选原辅材料，包括硅粉、氢气、硅芯、纯水、包装材料、氮 气等辅助气体，要求原辅材料中杂质很低，并建立完整的原辅材料质量控制体系和合格供应 商管理体系，防止质量异常波动。严格的标准化操作，包括还原炉安装、硅棒收割、破碎、 清洗、分拣包装等工序，控制人、设备、材料、环境污染，同时需控制检修过程的洁净度， 防止因检修污染生产系统。原辅材料、中间产品、生产操作、工艺参数控制，到产品后处理 等全过程的质量监督控制体系，同时需要实验室较高检测能力，确保每一环节的质量可控。电子级多晶硅自主研发所有生产技术难度极大，新进厂家需要从国外引进先进技术和管理理 念，或在国内外寻找吸收优秀技术人才，并在此基础上不断改进和研发。

电子级多晶硅生产需要的专业技术能力较强，核心技术人员需要 3-5 年从技术到生产管 理理念的培养，目前生产电子多晶硅的从业人员大多是太阳能级多晶硅生产技术人员，相关 理念和技术能力较差，在国有企业机制下存在按资排辈，新培养的核心技术人员，大多不在 重要岗位，典型的屁股决定脑袋，同时新培养的核心技术人员普遍工资待遇偏低，电子级多 晶硅核心技术人员在企业难以发展离职率较高，存在竞业限制，技术人员难以在电子级多晶 硅行业流动。

认证壁垒

晶圆制造企业对于各类原材料的质量有着严苛的要求，对供应商的选择也非 常谨慎。进入晶圆制造企业的供应商名单具有较高的壁垒。通常，晶圆制造企业会要求硅料 供应商提供一些硅料进行试生产，并且大多数用在测试上，而不是晶圆量产片。通过测试片 后，会小批量试生产量产片，待通过内部认证后，晶圆制造企业会将产品送至下游客户处， 获得其客户认证后，才会对硅料供应商进行最终认证，最后签订采购合同。半导体硅料企业 的产品进入晶圆制造企业的供应链需要经历较长的时间，对于新供应商的认证周期需 1-3 年。此外，目前国内的 12 寸晶圆企业大多自身停留认证阶段，不愿意随意更换原材料，给 电子级多晶硅的认证增加诸多难度。晶圆制造商与硅料供应商一旦建立供应关系后，不会轻 易更换供应商，且双方建立反馈机制，满足个性化需求，硅料供应商与客户的粘性不断增加。新硅料厂商如果加入到供应商行列，必须提供比原有供应商更加紧密的合作关系和更质优价 廉硅料。所以在硅料行业，硅料供应商和晶圆制造商的粘性较大，新晋供应商打破粘性的难 度较大。 

设备壁垒

制造硅料的核心设备是还原炉和其相关组件，可谓是硅料的“光刻机”。国际 主流硅料厂商的还原炉都是自己设计或制造。比如瓦克等公司的还原炉是公司独立设计制造 或者通过控股子公司设计制造，其他硅料厂商无法购买。设备壁垒也是国内厂商无法大规模、 高品质、低成本运行的主要原因。 

资金壁垒：

电子级多晶硅制造工艺复杂，需要购买先进，昂贵的生产设备，也需要根据 客户的不同需求不断进行修改和调试。由于设备折旧等固定成本较高，下游需求的变化对硅 料企业的产能利用率影响较大，从而对硅料制造公司的利润影响较大。特别是新进入硅料行 业的公司，在没有达到规模出货之前，几乎一直处于亏损状态，对资金壁垒要求较高。另外， 由于下游晶圆厂对于硅料的认证周期较长，这期间需要硅料制造商持续投入，也需要大量资金。

国内厂商

随着近年来国内下游晶圆企业发展，也带动了国内电子级多晶硅的发展，目前国内鑫华 半导体、天宏瑞科、黄河水电有多家厂商能够生产品质较好的电子级多晶硅，中硅高科、云 南芯材、南玻硅材料也都对外发布消息可以做电子级多晶硅，河南硅烷、新疆大全等企业也 在准备进入电子级多晶硅行业。鑫华半导体由国家集成电路产业投资基金(大基金)联手保利协鑫投资在江苏徐州经济 技术开发区建设，用于研发、生产及销售半导体级多晶硅及其他半导体原材料和电化产品的 生产设施，打造国内首条 5000 吨半导体集成电路专用电子级多晶硅生产线。鑫华从国外引 进吸收、借鉴国外先进工艺、不断的进行技术研发，C、O、B、P 杂质指标满足大硅片生产 要求，目前一部分产品表面金属已经做到 100pptw 以下，一部分产品表面金属 500pptw 以 下，可用于生产大硅片，目前公司产品主要用在 6 寸及以下晶圆，未来随着下游晶圆企业的 不断扩产和产能释放，以及产品品质的提升，未来鑫华半导体未来有望进入大硅片企业合格 供应商，同时鑫华半导体规划再上一条 5000 吨生产线，彼时鑫华半导体将成为全球电子级 多晶硅最大的生产商。天宏瑞科是陕西有色下属公司，属于陕西地方国企，与美国 REC 合资的年产 1000 吨的 电子级多晶硅，在 REC 的倾囊相授下，目前是国内唯一一家能够生产区熔级多晶硅企业，从 技术层面分析，目前电子级多晶硅厂家硅棒长度均在 1400mm 以下，超过 1400mm 的又没 有区熔多晶硅生产技术，而 1400mm 以下区熔多晶硅，在区熔单晶企业制备单晶时转化率 将不足 50%，而天宏瑞科硅棒长度可以做到 2400mm，单晶转化率超过 80%，从市场化角度 讲，其它企业的区熔级多晶硅价格要比天宏瑞科价格低于一半时才具备相同的商业化用途， 这无异于用技术消灭了国内所有竞争对手，目前该企业的区熔级多晶硅正在下游器件厂家进 行认证， C、O、B、P 杂质满足大硅片生产要求，免洗料的表面金属 200ppt 以下，在国内 目前技术处于绝对领先地位，未来不仅是国内唯一的区熔级多晶硅供应商，也是大硅片供应 商。黄河水电是国家电投在青海西宁的重大项目，通过引进技术消化吸收不断创新等艰难历 程，终于实现了电子级多晶硅量产，目前产能 2500 吨，黄河水电多晶硅已完全满足 8 英寸 抛光片、外延片制造要求，是国内唯一一家进入 8 英寸的厂家。十年磨一剑，霜刃未曾试， 黄河水电的成功可以说为国内电子级多晶硅行业乃至半导体行业发展提供了一个典范，半导 体产业发展需要坚忍不拔的毅力，持之以恒的投入和坚持。黄河水电是青海省政府高度重视 半导体材料发展，提前在产业上布局，国电投十年如一日坚持不懈，产学研相结合成功的案 例。

结语

       电子级多晶硅作为半导体基础材料，需要掌握在中国人自己手中，目前能够生产制造电子级多晶硅企业均属于国有资本，电子级多晶硅即将全面国产化，但与国外同行相比 产业规模较小、产品质量略差、竞争力不强，仍需要国家产业政策继续扶持，同时政府和行 业协会在企业认证时需要帮扶企业，下游晶圆企业应当积极配合电子级多晶硅企业认证测试 工作，共同做强做大中国半导体材料产业，电子级多晶硅企业应当避免在低端晶圆进行零和 博弈，不断杀价，影响未来自身发展和大硅片的发展，必要时政府和行业协会应当出手整合 电子级多晶硅行业资源，让电子级多晶硅行业健康发展，避免国有资产损失。

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