电子级多晶硅是制造半导体硅片最基础和最主要的原材料之一，被称为电子信息产业的“粮食”，其纯度需达到11N，如此高的纯度对制备技术、检测技术和质量管理都提出了极高的要求。长期以来，电子级多晶硅的制备技术被美、德、日等西方国家封锁，因而我国使用的电子级多晶硅几乎完全依赖进口，存在被“卡脖子”的风险。近年来，我国以青海黄河上游水电、江苏鑫华等为代表的企业在电子级多晶硅上取得了一部分技术突破，但仍存发展瓶颈。
一、电子级多晶硅发展概述
电子级多晶硅可分为电子级区熔用多晶硅和电子级直拉用多晶硅。电子级区熔用多晶硅质量要求更苛刻，采用区熔法生产的单晶硅中氧、碳含量低，载流子浓度低，电阻率高，主要应用于制造IGBT、高压整流器、晶闸管、高压晶体管等高压大功率半导体器件。而直拉法生产的单晶硅片广泛用于集成电路存储器、微处理器、手机芯片和低电压晶体管、电子器件等电子产品，用途更为广泛，电子级直拉用多晶硅市场占比达90%以上。电子级多晶硅产业链如图1所示。电子级多晶硅料经熔融后，通过拉制获得半导体单晶棒，再经过滚磨、线切割、倒角、研磨、腐蚀、热处理、边缘抛光、正面抛光、清洗、外延等工艺制成抛光片或外延片，再经过氧化、沉积、光刻、刻蚀、离子注入/扩散等半导体工艺制成晶圆，后经切割、封装、测试等工艺制成芯片，并应用在下游终端产品中。
二、产业发展情况
（一）全球电子级多晶硅发展情况
2019年，全球电子级多晶硅产量约为3.9万吨，同比增长约8.3%。生产主要集中于美国、德国和日本等国的少数几家多晶硅企业，包括德国Wacker、韩国OCI、美国Hemlock、美国REC、日本三菱、日本德山等（见表1）。其中，美国Hemlock约生产11,000吨、德国Wacker约生产8500吨（占Wacker总产量的15%）、日本Tokuyama约生产6200吨、日本三菱约生产3000吨、日本住友约生产2500吨、REC产量为867吨（见图2）。同时，在2019年底韩国OCI对外宣布部分P1产线的产能将转为生产电子级多晶硅（年产能5000吨），加入电子级多晶硅生产行列。
（二）我国电子级多晶硅发展情况
第一，市场需求。近年来，在智能手机对存储器及功率半导体的需求上涨和我国集成电路产业政策的双重影响下，国内半导体硅片的投资规模不断加大。目前中国8英寸、12英寸半导体硅片生产及研发的单位主要有上海新昇、上海新傲、超硅、金瑞泓、有研、洛单集团、南京国盛、合晶、Ferrotec（中国）等，2019年国内8寸抛光片产能123万片/月，12英寸抛光片产能15万片/月。若以每公斤多晶硅12英寸出片量5片、8英寸10片计算，则电子级多晶硅总需求量为1836吨/年，这还不包括国内6寸及以下的硅片厂的多晶硅需求量。第二，产品供给。随着国内黄河水电、鑫华半导体、云冶芯材、洛阳中硅、宜昌南玻等企业逐步推进电子级多晶硅的研究与发展，电子级多晶硅对于海外进口的依赖正在逐渐缓解。2015年12月，鑫华半导体由国家集成电路产业投资基金联手保利协鑫共同投资，建设国内首条5000吨半导体集成电路专用电子级多晶硅生产线。2018年9月，国家电投集团黄河水电公司表示其建成了国内唯一一家集成电路引用的高纯电子级多晶硅生产线，并且其质量与德国、日本知名企业生产的多晶硅质量相当。2020年8月，洛阳中硅将生产重心转移至电子级多晶硅上，并将在孟津县投资40亿元的电子级多晶硅生产项目。从实际产量来看，黄河水电和鑫华半导体是国内唯二的两家真正实现电子级多晶硅出货的企业。其中黄河水电已形成年产能2500吨，2012年至今累计销售电子级多晶硅产品2000余吨。其产品技术指标远高于国家标准要求，完全满足集成电路用硅单晶的需求，达到国际一流、国内领先水平。其产品已经成功应用到国内10余家硅片企业，批量供应国内8英寸硅片生产线，在12英寸硅片生产线的验证工作也在进行中。
三、存在问题
第一，电子级多晶硅供应缺口巨大。2020年我国年电子级多晶硅需求量达到2500吨，随着下游半导体硅片产能的进一步释放，对于电子级多晶硅的需求量也会进一步提升。但目前看，国内电子级多晶硅的供应量不超过800吨，大部分仍需从国外进口，特别是12英寸硅片所用的电子级多晶硅，几乎完全依赖进口。第二，产品稳定性和一致性仍需提升。虽然我国电子级多晶硅产品在技术指标上已经达到国际一流水平，但生产过程中的产品一致性和稳定性仍需提升，尤其是针对12英寸硅片用电子级多晶硅的质量稳定性仍有差距，这也是多晶硅下游客户最关注的环节。究其原因，主要有以下几点：一是高纯石墨产品、高纯酸、电子级洁净PE袋等辅助材料的质量稳定性与国外仍然有差距；二是虽然设备能够国产化，但国产设备的稳定性和耐用性还需要进一步提高；三是我国电子级多晶硅企业的管理体系特别是质量过程控制还有差距，对于质量管理体系的理解和运用还需要进一步加强；四是企业对于整体化工工艺的机理性研究仍需要进一步深入；五是自动化和智能化生产水平也需提升。第三，检测设备仍依赖进口。在生产制造端，我国已基本解决相关设备和材料的国产化替代。但用于多晶硅产品的核心检测设备则完全依赖进口，如低温傅立叶红外光谱仪LT-FTIR、电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS等，并且检测环节对检测人员的能力水平要求极高。第四，发展仍受历史遗留政策问题束缚。国家对于高耗能行业的定义一直沿用《2010年国民经济和社会发展统计报告》，其中包括非金属矿物制品业。而按照最新版的《国民经济行业分类》，多晶硅棒（即多晶硅原料生产）属于其他非金属矿物制品制造，纳入非金属矿物制品业范围（3099）。受该分类掣肘，多晶硅行业因为划属高耗能行业一直享受不到国家相关优惠政策。而电子级多晶硅是国家亟需解决的卡脖子产品，在国家发改委2019年10月30日发布的《产业结构调整指导目录（2019年本）》中，也明确将高端电子级多晶硅列入鼓励类项目，希望相关政策能够统一。
四、对策建议
第一，加强关键核心技术的支持力度。统筹利用工业强基、工业转型升级基金等已有资金渠道，统筹支持12英寸及以上集成电路硅片用原生多晶硅料产业化生产过程中的材料、设备、工艺、质量控制等与产品质量稳定性相关联的核心关键技术，支持对于整体化工工艺的机理性研究，支持提升生产自动化和智能化水平。支持建立电子级多晶硅材料检测分析平台，开展高纯硅材料及硅晶圆中超痕量杂质定性定量分析等化学分析技术和晶体微观结构分析等物理检测分析技术研究，提供全产业链材料检测服务，打造第三方半导体材料分析实验室。第二，加强上下游联合合作。引导国内电子级多晶硅、半导体硅片厂、晶圆厂组建战略联合体，实现产业链联动发展。加强首批次保险政策对电子级多晶硅领域的支持力度。引导国家、省市等相关资金支持项目按要求全产业链联合申报。通过政策引导推动国产电子级多晶硅料在下游生产制造中的规模化应用，解决产品质量的稳定性问题。第三，调整部分行业国民经济分类。从长远来看，将多晶硅棒列入非金属矿物制品业，势必会因为历史原因导致很多优惠政策不能享受，甚至会对产业产生不利影响。因此，建议国家在明确多晶硅不属于高耗能行业范畴之外，调整《国民经济行业分类》，将多晶硅棒列入电子专用材料制造（3985）。
作者：江华 单位：赛迪智库集成电路研究所
返回电子论文列表