電子級多晶硅發展情況研究

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電子級多晶硅是制造半導體硅片最基礎和最主要的原材料之一，被稱為電子信息產業的“糧食”，其純度需達到11N，如此高的純度對制備技術、檢測技術和質量管理都提出了極高的要求。長期以來，電子級多晶硅的制備技術被美、德、日等西方國家封鎖，因而我國使用的電子級多晶硅幾乎完全依賴進口，存在被“卡脖子”的風險。近年來，我國以青海黃河上游水電、江蘇鑫華等為代表的企業在電子級多晶硅上取得了一部分技術突破，但仍存發展瓶頸。

一、電子級多晶硅發展概述

電子級多晶硅可分為電子級區熔用多晶硅和電子級直拉用多晶硅。電子級區熔用多晶硅質量要求更苛刻，采用區熔法生產的單晶硅中氧、碳含量低，載流子濃度低，電阻率高，主要應用于制造IGBT、高壓整流器、晶閘管、高壓晶體管等高壓大功率半導體器件。而直拉法生產的單晶硅片廣泛用于集成電路存儲器、微處理器、手機芯片和低電壓晶體管、電子器件等電子產品，用途更為廣泛，電子級直拉用多晶硅市場占比達90%以上。電子級多晶硅產業鏈如圖1所示。電子級多晶硅料經熔融后，通過拉制獲得半導體單晶棒，再經過滾磨、線切割、倒角、研磨、腐蝕、熱處理、邊緣拋光、正面拋光、清洗、外延等工藝制成拋光片或外延片，再經過氧化、沉積、光刻、刻蝕、離子注入/擴散等半導體工藝制成晶圓，后經切割、封裝、測試等工藝制成芯片，并應用在下游終端產品中。

二、產業發展情況

（一）全球電子級多晶硅發展情況

2019年，全球電子級多晶硅產量約為3.9萬噸，同比增長約8.3%。生產主要集中于美國、德國和日本等國的少數幾家多晶硅企業，包括德國Wacker、韓國OCI、美國Hemlock、美國REC、日本三菱、日本德山等（見表1）。其中，美國Hemlock約生產11,000噸、德國Wacker約生產8500噸（占Wacker總產量的15%）、日本Tokuyama約生產6200噸、日本三菱約生產3000噸、日本住友約生產2500噸、REC產量為867噸（見圖2）。同時，在2019年底韓國OCI對外宣布部分P1產線的產能將轉為生產電子級多晶硅（年產能5000噸），加入電子級多晶硅生產行列。

（二）我國電子級多晶硅發展情況

第一，市場需求。近年來，在智能手機對存儲器及功率半導體的需求上漲和我國集成電路產業政策的雙重影響下，國內半導體硅片的投資規模不斷加大。目前中國8英寸、12英寸半導體硅片生產及研發的單位主要有上海新昇、上海新傲、超硅、金瑞泓、有研、洛單集團、南京國盛、合晶、Ferrotec（中國）等，2019年國內8寸拋光片產能123萬片/月，12英寸拋光片產能15萬片/月。若以每公斤多晶硅12英寸出片量5片、8英寸10片計算，則電子級多晶硅總需求量為1836噸/年，這還不包括國內6寸及以下的硅片廠的多晶硅需求量。第二，產品供給。隨著國內黃河水電、鑫華半導體、云冶芯材、洛陽中硅、宜昌南玻等企業逐步推進電子級多晶硅的研究與發展，電子級多晶硅對于海外進口的依賴正在逐漸緩解。2015年12月，鑫華半導體由國家集成電路產業投資基金聯手保利協鑫共同投資，建設國內首條5000噸半導體集成電路專用電子級多晶硅生產線。2018年9月，國家電投集團黃河水電公司表示其建成了國內唯一一家集成電路引用的高純電子級多晶硅生產線，并且其質量與德國、日本知名企業生產的多晶硅質量相當。2020年8月，洛陽中硅將生產重心轉移至電子級多晶硅上，并將在孟津縣投資40億元的電子級多晶硅生產項目。從實際產量來看，黃河水電和鑫華半導體是國內唯二的兩家真正實現電子級多晶硅出貨的企業。其中黃河水電已形成年產能2500噸，2012年至今累計銷售電子級多晶硅產品2000余噸。其產品技術指標遠高于國家標準要求，完全滿足集成電路用硅單晶的需求，達到國際一流、國內領先水平。其產品已經成功應用到國內10余家硅片企業，批量供應國內8英寸硅片生產線，在12英寸硅片生產線的驗證工作也在進行中。

三、存在問題

第一，電子級多晶硅供應缺口巨大。2020年我國年電子級多晶硅需求量達到2500噸，隨著下游半導體硅片產能的進一步釋放，對于電子級多晶硅的需求量也會進一步提升。但目前看，國內電子級多晶硅的供應量不超過800噸，大部分仍需從國外進口，特別是12英寸硅片所用的電子級多晶硅，幾乎完全依賴進口。第二，產品穩定性和一致性仍需提升。雖然我國電子級多晶硅產品在技術指標上已經達到國際一流水平，但生產過程中的產品一致性和穩定性仍需提升，尤其是針對12英寸硅片用電子級多晶硅的質量穩定性仍有差距，這也是多晶硅下游客戶最關注的環節。究其原因，主要有以下幾點：一是高純石墨產品、高純酸、電子級潔凈PE袋等輔助材料的質量穩定性與國外仍然有差距；二是雖然設備能夠國產化，但國產設備的穩定性和耐用性還需要進一步提高；三是我國電子級多晶硅企業的管理體系特別是質量過程控制還有差距，對于質量管理體系的理解和運用還需要進一步加強；四是企業對于整體化工工藝的機理性研究仍需要進一步深入；五是自動化和智能化生產水平也需提升。第三，檢測設備仍依賴進口。在生產制造端，我國已基本解決相關設備和材料的國產化替代。但用于多晶硅產品的核心檢測設備則完全依賴進口，如低溫傅立葉紅外光譜儀LT-FTIR、電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS等，并且檢測環節對檢測人員的能力水平要求極高。第四，發展仍受歷史遺留政策問題束縛。國家對于高耗能行業的定義一直沿用《2010年國民經濟和社會發展統計報告》，其中包括非金屬礦物制品業。而按照最新版的《國民經濟行業分類》，多晶硅棒（即多晶硅原料生產）屬于其他非金屬礦物制品制造，納入非金屬礦物制品業范圍（3099）。受該分類掣肘，多晶硅行業因為劃屬高耗能行業一直享受不到國家相關優惠政策。而電子級多晶硅是國家亟需解決的卡脖子產品，在國家發改委2019年10月30日的《產業結構調整指導目錄（2019年本）》中，也明確將高端電子級多晶硅列入鼓勵類項目，希望相關政策能夠統一。

四、對策建議

第一，加強關鍵核心技術的支持力度。統籌利用工業強基、工業轉型升級基金等已有資金渠道，統籌支持12英寸及以上集成電路硅片用原生多晶硅料產業化生產過程中的材料、設備、工藝、質量控制等與產品質量穩定性相關聯的核心關鍵技術，支持對于整體化工工藝的機理性研究，支持提升生產自動化和智能化水平。支持建立電子級多晶硅材料檢測分析平臺，開展高純硅材料及硅晶圓中超痕量雜質定性定量分析等化學分析技術和晶體微觀結構分析等物理檢測分析技術研究，提供全產業鏈材料檢測服務，打造第三方半導體材料分析實驗室。第二，加強上下游聯合合作。引導國內電子級多晶硅、半導體硅片廠、晶圓廠組建戰略聯合體，實現產業鏈聯動發展。加強首批次保險政策對電子級多晶硅領域的支持力度。引導國家、省市等相關資金支持項目按要求全產業鏈聯合申報。通過政策引導推動國產電子級多晶硅料在下游生產制造中的規?；瘧?，解決產品質量的穩定性問題。第三，調整部分行業國民經濟分類。從長遠來看，將多晶硅棒列入非金屬礦物制品業，勢必會因為歷史原因導致很多優惠政策不能享受，甚至會對產業產生不利影響。因此，建議國家在明確多晶硅不屬于高耗能行業范疇之外，調整《國民經濟行業分類》，將多晶硅棒列入電子專用材料制造（3985）。

作者：江華 單位：賽迪智庫集成電路研究所