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区熔单晶硅

(2011-04-30 01:55:09)
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杂谈

分类: 晶硅
CZ法(直拉法)的单晶拉制在国内比较普遍,且容易实现,主要是将多晶硅料放在坩埚中,加热后将融融态硅提拉出来,且单晶炉价格较FZ法拉制的设备便宜很多,FZ法(区熔法)时利用铜线圈将多晶硅园棒的料局部融化拉制,纯度较高。两者拉出的单晶所用的范围不太相同。

区熔法为将一多晶硅棒(Polysilicon Rod)通过环带状加热器,以产生局部融化现象,再控制凝固过程而生长单晶棒。CZ法利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法,又称提拉法、直拉法。1918年波兰人J. Czochralski 曾用此法测定结晶速率而得名。
就技术方面而言,CZ法较容易及较低成本增加晶圆的尺寸,以吻合微电子元件制造业要求大尺寸、高纯度、高生产率的趋向。但区熔法所生成的晶圆有较低的含氧量,较少SiO2析出物及低机械强度,进而相对有较低电子元件产出率。

1993年,市场的占有率数据为:CZ法占硅单晶市场的82.4%;外延硅片占市场的14%,其所用衬底也为CZ硅;区熔法硅仅占市场的3.3%,区熔硅主要用在制造能抵抗逆电压大于750-1000伏的高电压电力元件或红外线侦测器等。

 
 
区熔硅单晶也称区熔单晶硅,是电子信息材料中最基础性材料,属半导体材料类。
区熔硅单晶是电力电子器件的关键材料。区熔硅单晶是较一般电子级单晶硅具有更高纯度和更高电阻率区熔硅单晶采用的多晶硅材料成本大大高于直拉单晶硅所用材料,而其产品销售价格也数倍于直拉单晶
 
国内区熔硅单晶行业企业竞争格局
中国市场来说,区熔硅单晶的生产商只有几家。从全球来看,该趋势全球并购也非常明显,我们认为,未来进一步的整合还会继续。目前全球区熔硅单晶产业集中度已经较高,主要为日本Shin-EtsuHandotai、小松公Komatsu(已被Sumco 收购),丹麦TOPSIL、德国Siltronic (由Wacker Chemie AG 控股)、环欧等五家公司。
 
区熔硅单晶行业产业政策
高纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料,其市场增长趋势也很明显。
另外采用高阻区熔硅制造微波单片集成电路(MMIC)以及微电子机械系统(MEMS)等高端微电子器件,被广泛应用于微波通讯、雷达、导航、测控、医学等领域,也显示出巨大的应用前景。区熔硅单晶的具有重要的战略意义,2011 年科技重大专项项目指南中,我们看到了区熔硅单晶片产业化技术与国产设备研制项目。面向高压大功率IGBT 芯片产品制造需求,我国研究开发直径150mm 和200mm 区熔硅单晶片产业化技术,形成性能稳定的批量生产能力;满足1200V-3300V IGBT 产业化对区熔硅单晶的要求和4500-6500V 以上IGBT 芯片研制需求2012 年提供生产线用户考核认证,2013 年形成5000 片/月以上的销售。研究开发国产区熔单晶炉2012 年进入生产线考核并通过用户验证,形成批量供货,提供IGBT 材料项目使用。(注:环欧)
 
技术壁垒
高反压、大电流电力电子器件的发展要求区熔硅单晶直径进一步增大。大直径区熔硅单晶的拉制,最大困难在于高频加热设备能力和成晶工艺条件。由于技术封锁,研制和生产大直径区熔硅单晶的工艺条件需要摸索,特别是加热线圈结构和拉晶参数。购买国际先进的技术仪器,仿效学习并研发出自己的技术,前期购买仪器成本太高,一般的小型公司难以承担先进的Typ-FZ 系列仪器高昂的价格。因此,国内企业只有在生产中不停地摸索,克服技术壁垒,逐步研发并填补我国大直径区熔硅单晶生产技术的空白。
在半导体单晶硅材料产业链中,多晶硅是生产硅单晶的原料,是半导体器件的上基础材料。2006 年国内包括半导体器件和硅晶体太阳能电池的多晶硅年需量超过10,000 吨,而国内的生产能力仅为300 吨/年左右,因此多晶硅材料绝大部分依赖进口。单晶硅材料的支撑体系薄弱,所需的关键设备和检测仪器主要依赖进口,形成了产品更新一代就必须从国外引进新一代设备的局面,这就客观上加大了产业发展的投入,在一定程度上制约了国内半导体材料企业的发展。
区熔硅单晶产品供求格局
2008-2010年区熔硅单晶市场产品总产量统计
2005-2008 年,我国区熔硅单晶行业产量呈现快速增长的趋势,2009 年产量有所下降,2005 年产量为71 吨,2006 年为76.31 吨,增速为7.48%,到了2009 年为71.54 吨,增长率比2008 年下降了16.53%,2010 年1-5 月份为39.12 吨。同比增长率为8.42%.  

2008-2009年区熔硅单晶市场细分产品产量统计
区熔硅单晶目前的主要应用产品包括2 种:气相掺杂(Gas Dopsiton)和中子嬗变掺杂(NTD)。其中GD 目前市场规模约占区熔硅总体规模的80%左右,主要的应用领域为传统电子电力器件,特别是高压大功率器件,400V 以上电压产品等;NTD 规模约占20%左右,主要应用于铁路、电站以及由新型能源技术所推动的变压变频器件应用中。前者受电源管理等市场的节能需求的推动;后者由于铁路、电厂的大规模建设以及新型能源如风能发电等市场的发展,目前有较快的市场增长。

2005 年GD 产量为58.22 吨,NTD 为12.78 吨,到了2009 年GD 产量为58.92 吨,NTD为12.62 吨。2010 年1-5 月份GD 与NTD 分别31.92 吨7.2 吨。2009 年之前,产量均保持了较为平稳的增长趋势。

 

区熔硅单晶行业产业链构成模型分析
区熔硅单晶行业产业链构成
产业链即从一种或几种资源通过若干产业层次不断向下产业转移直至到达消费者的路径,它包含四层含义:

一是产业链是产业层次的表达;

二是产业链是产业关联程度的表达;产业关联性越强,链条越紧密,资源的配置效率也越高;

三是产业链是资源加工深度的表达;
业链越长,表明加工可以达到的深度越深;四是产业链是满足需求程度的表达。产业链始于自然资源、止于消费市场,但起点和终点并非固定不变。
区熔硅单晶产业链结构分析:上原材料供应商,中区熔硅单晶生产厂家,下大功率器件、电力机车的牵引系统等相关区熔硅单晶消费者,此外还有贯穿产业链的物流配送厂家等。

 

区熔硅单晶行业产业链模型分析
上原材料供应
单晶硅由多晶硅制得,而近几年,太阳能电池产业快速发展,多晶硅供应急剧增加。2008年国内多晶硅产量超过4500 吨,产能超过1 万吨。根据最新的统计数据显示,我国目前在建和筹建的多晶硅项目总能将接近8 万吨,而需求量仅为4.6 万吨,如果产能全部释放,将过剩近一半的多晶硅产品
2009 年9 月26 日,国务院转发国家发改委、工业和信息化部等10 部委《关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展的若干意见》(以下简称38 号文),正式将多晶硅列入产能过剩和重复建设行业的“黑名单”里,各地已被要求收紧多晶硅项目,地方未建的多晶硅项目也已基本叫停。

产能过剩是下游需求转暖未能传导至上的主要原因。

我们估计明年全球光伏多晶硅需求量在6 万吨,而供给量在10 万吨(已扣除半导体行业用量),其中4 万吨来自中国。因此我们认为多晶硅现货价格还将继续下跌,我们目前假设2010~2011 年均价分别为55 和50美元/公斤,该假设有下调空间。摆在中国多晶硅企业面前的迫切任务是降成本,途径有二:
一是在现有还原西门子法基础上降成本,例如采用更先进的氢化方法循环利用四氯化硅/二氯二氢硅、自产三氯氢硅、申请直供电降低电费等等,但该类方法难以将成本降至30 美元之下;

二是采用更先进的还原方法,例如硅烷法可以产生很少副产品,成本可望降低至25美元甚至更低。

(注:光伏晶硅可能会过剩,但大尺寸电子晶圆会很紧张,特别是能做外延片的。)

 

由于半导体用硅片对于纯度要求较高,其生产工艺和难度要远高于太阳能级应用,这就使得半导体硅片的价格较高。全球硅片材料生产,主要集中在日、美、德三国,其他还有韩国、马来西亚、芬兰、中国大陆和中国台湾地区。根绝SEMI 数据统计,我国半导体市场需求呈稳定增长趋势,但是国内厂商受技术约束,半导体级单晶硅供应不足。半导体级别单晶硅还有较大发展空间。


近年来,中国单晶硅产量明显稳步增长。增长的原因一方面是来自国际上对低档和廉价硅材料需求的增加;另一方面是近年来中国各方面发展迅速,各类信息家电和通信产品需求旺盛,因此半导体器件和硅材料的市场需求量都很大。目前世界硅片的主流产品是直径为200mm-300mm 的硅片,2008 年直径200mm(8 英寸)单晶硅片在硅片占比中为30%。中国大尺寸单晶硅拉制技术与世界水平有较大差距,能拉制大尺寸单晶的厂商不多。区熔法可以获得电阻率和纯度都很高的单晶硅。其氧、碳含量较低,载流子浓度较低,电阻较大,在应用领域上较直拉单晶硅有所区别,主要应用于制造高压整流器、晶体闸流管、 高压晶体管等高压大功率器件。生产区熔硅单晶的成本较高,并且受到生产技术的限制,大直径的区熔硅单晶较难获得,其杂质分布均匀性也较直拉法差。目前在所有的硅材料半导体应用中,区熔硅单晶占比约为6%~8%。

 

注:区熔单晶炉,从已知的信息判断国内做得最好的应该是京运通吧,西安理工、天龙、京仪、汉虹等次之,48所再次之。京运通正在上市辅导期,以现在的新股发行速度,很快就会上会了。国内现在的主要区熔单晶硅片厂家是环欧,用的是丹麦的FZ-30型区熔炉,每台2500万,硅片尺寸6寸,每台年产能5吨。

从以上信息来看,环欧自己研发的区熔炉率先应用于产业可能性最高。

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