1.2 多晶硅在国民经济中的地位

多晶硅主要作为原材料应用于半导体和太阳能光伏产业领域，在国务院发布的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中，多晶硅与被国务院列为未来重点发展的七大战略性新兴产业中的3个产业——新一代信息技术产业、新能源产业和新材料产业均有密切关系，在部分关键环节中，多晶硅甚至是核心基础材料。

1.2.1 新一代信息技术产业

硅具有良好的半导体性能并且储量丰富，自1953年作为整流二极管元件问世以来，随着工艺技术的改革及其纯度的不断提高，目前已发展成为半导体工业中应用最广泛的一种半导体材料，有关硅的基础理论也发展得较为完善。

全世界半导体器件中有95%是用硅材料制成，其中85%的集成电路是由硅材料制成。由于大规模集成电路和超大规模集成电路技术的突破，半导体器件得到飞速发展，并在各行各业得到广泛的应用。多晶硅是上述半导体工业制造过程中产量最大、应用最广的重要基础材料，每年全球半导体工业对多晶硅原料的市场需求在3万吨左右。

（1）半导体产业链

整个半导体芯片制造的流程大致可分为电路及掩膜板设计、晶圆加工、封装以及测试四大环节，图1-6为IC制造流程。

①电路设计

该环节的主要目的在于设计出晶圆加工制程中所需要各层的布局图。同时，根据布局图设计出晶圆加工各道工序所需的掩膜板。

②晶圆制造

晶圆加工是整个IC制造流程中最复杂、资金及技术最密集的环节。这一部分主要是将上一个程序中所设计出来的电路、电子组件以及各组件之间的连接布局，通过各单元制程（氧化、光刻、薄膜沉积、刻蚀、掺杂等）间的反复配合，在晶圆上加工实现。掩膜在此过程中的作用在于能够定义出各层薄膜的图案、组件区域，以及组件间的链接情形，以实现所要的电路功能及规格。

③封装

封装就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便于其他器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片所使用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还将芯片上的接点用来与封装外壳的引脚上通过导线连接在一起，这些引脚又通过电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。

④测试

芯片完成封装后，需要对其性能的实现情况进行品质确认，将对芯片进行一连串的电气测试，以保证半导体元件符合系统的需求。

多晶硅主要应用于晶圆制造环节，即将多晶硅材料制作成半导体硅片后，供集成电路生产线使用。多晶硅制造半导体硅片的工艺流程如图1-7所示，可生产不同尺寸、不同种类的半导体硅片，包括3、4、5、6、8和12英寸半导体硅片。

（2）全球半导体市场

半导体产品主要由分立半导体器件、光电器件、传感器和集成电路四大类产品构成，是包括计算机、通信设备、消费电子等几乎所有电子信息制造业领域的基础元器件，同时用多晶硅制造的大规模集成电路及分立器件还可以应用在其他领域，如机床、航天、汽车、医疗、军事、船舶、铁路等，甚至可以对传统工业进行信息技术改造，包括钢铁、纺织、化工等，是现代通信、交通、生活等电器的心脏，也是现代电脑、人工智能的核心硬件、国防必需的核心部件。过去十几年，全球半导体市场依然保持发展势头。根据世界半导体理事会的统计数据，半导体产业的销售额从2000年的2 000亿美元增加到2015年的3 300亿美元，年复合增长率约为3.3%。其中，半导体器件、光电器件、传感器和集成电路的市场份额在2015年分别达到186亿美元、332亿美元、88亿美元和2 745亿美元，分别占全球半导体市场的5.5%、9.9%、2.6%和81.9%。集成电路产品又可分为模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片四大类芯片，2015年其市场份额分别为442.1亿美元、622.1亿美元、859.3亿美元和786.1亿美元，分别占集成电路市场份额的16.4%、22.3%、33%和28.3%。半导体市场的发展也带动半导体硅片和电子级多晶硅的发展。图1-8为2010年～2015年全球半导体硅片市场需求情况，按照1亿平方英尺（1平方英尺=0.092 903平方米）半导体硅片大约需要280吨电子级多晶硅计算，2015年全球电子级多晶硅市场需求约为2.9万吨。未来，半导体市场将在智能终端、平板电脑、消费类、工业控制、新能源汽车、节能环保、信息安全等带动下继续保持增长势头，继续带动半导体硅片以及电子级多晶硅市场需求。

（3）我国高度重视集成电路产业的发展

集成电路是工业的“粮食”，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一，国际金融危机后，发达国家加紧经济结构战略性调整，集成电路产业的战略性、基础性、先导性地位进一步凸显，美国更将其视为未来20年从根本上改造制造业的四大技术领域之首。当前，我国是全球最大的集成电路市场，约占全球57%的市场份额，但产业中高端供给率严重不足，每年需进口集成电路产品价值近2 300亿美元，是第一大宗进口商品。在经济新常态下，贯彻落实供给侧结构性改革，大力发展集成电路产业，培育经济发展新动能已成为当前发展的重中之重。习近平总书记在网信座谈会上也提到“面向国家重大需求，面向国民经济主战场，紧紧围绕攀登战略制高点，强化重要领域和关键环节任务部署”。此外，集成电路芯片是信息系统的“心脏”，是支撑国家安全和国防安全的关键性产业。习近平总书记在网信座谈会中也提到“互联网核心技术是我们最大的‘命门’，核心技术受制于人是我们最大的隐患”“只有把核心技术掌握在自己手中，才能真正掌握竞争和发展的主动权，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全”。在此背景下，我国出台了《国家集成电路发展推进纲要》，并成立千亿元的国家集成电路产业发展基金，推动包括电子级多晶硅在内的产业发展。值得关注的是，经过多年的努力，目前，我国可大批量生产电子级多晶硅三级品，小批量生产一级品，预计在未来的几年，我国有望实现电子级多晶硅产品的进口替代。

1.2.2 新能源产业

太阳能光伏发电是新能源产业的重要组成部分，全球90%以上的太阳能电池使用多晶硅作为原料制造。2003年以前，多晶硅的市场需求主要以电子级多晶硅为主，但随着太阳能光伏产业的高速发展以及规模的不断扩大，太阳能级多晶硅的市场需求于2006年超过电子级多晶硅，成为多晶硅市场发展的主要驱动力。2015年，光伏产业对多晶硅需求量超过30万吨，约为半导体工业耗硅量的10倍。下面，简要介绍太阳能光伏产业情况。

（1）光伏产业链

太阳能光伏产业是半导体技术与新能源需求融合发展起来的产业，其利用光生伏特原理将太阳能转换为光能的核心元器件。按照太阳能电池分类，目前，可产业化生产的太阳能电池可分为晶体硅电池、薄膜电池和聚光电池等，如图1-9所示。2015年，全球太阳能电池组件产量达到63.5 GW，其中晶体硅电池产量约为59 GW，约占全球太阳能电池总产量的93%，薄膜电池和聚光电池分别为4.3 GW和0.15 GW，总占比约为7%，预计未来5～10年内晶体硅电池仍将是太阳能光伏行业的主流产品。

太阳能电池按技术的分类情况如图1-10所示。

晶体硅电池产业链如图1-11所示，包括多晶硅原料生产、硅棒/硅锭生产及硅片制造、太阳能电池制造、组件生产、光伏产品生产和光伏发电系统等环节，其中，多晶硅材料是光伏产业的最上游产品。

（2）晶体硅电池生产流程

①多晶硅提纯

将纯度为98%～99.5%的工业硅提纯至99.999 9%以上的高纯多晶硅，目前，主要的提纯方法有改良西门子法、硅烷法和物理冶金法，前两者是通过化学反应的方式，将硅材料提取出来，物理冶金法是根据各种物质物理特性的不同，通过凝固、精炼等工艺将杂质滤除掉，以获得高纯度的多晶硅。

②硅棒/硅锭生产

多晶硅材料提纯后，需要对多晶硅材料进行拉单晶或铸锭，使其晶向保持一致。单晶直拉是指将高纯多晶硅材料装入单晶炉的石英坩埚内，在真空下加热多晶硅使之熔化，用一个经加工处理过的晶种——籽晶，使其与熔硅充分熔接，并以一定速度旋转提升，在晶核诱导下，使其具有预期电学性能的单晶体沿籽晶定向凝固、成核长大，从熔体上被缓慢提拉出来。多晶铸锭是指将多晶硅材料放在坩埚中熔融，然后将坩埚从热场逐渐下降或从坩埚底部通冷源，以形成一定的温度梯度，固液面则从坩埚底部向上移动而形成硅锭。

③硅片制造

硅片的加工，是使用多线切割机将硅碇或硅棒加工成具有一定尺寸（或直径）、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。以硅碇为例，硅片加工的一般工艺流程如图1-12所示。

④电池片生产

电池片生产主要是在硅片上制作pn结，并形成电极的过程，具体制造流程如图1-13所示。工艺包括绒面制备、扩散制结、制作电极和制备蒸镀减反射膜等。

⑤组件制造

根据需求，将电池片进行串并联焊接，通过背板、EVA胶膜、玻璃等一起层压，形成光伏组件，组件的封装工艺流程如图1-14所示。

（3）太阳能光伏发电前景

随着全球煤炭、石油、天然气等化石能源的消耗速度加快，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。世界各国纷纷制定各自的能源战略，以应对化石能源的缺乏和其开发利用带来的环境问题，国际能源署预测光伏装机情况如图1-15所示。太阳能光伏发电具有清洁性、安全性、广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，被公认为未来主要的能源利用形式。国际能源署（IEA）在2014年版的太阳能光伏路线图中提到，太阳能光伏发电是能商用的可靠技术，具有在世界几乎所有地区长期增长的发展潜力。并预计到2030年，全球光伏装机可能达到1 721 GW，到2050年，全球光伏装机将达到4 670 GW。在欧洲光伏工业协会（EPIA）发布的《<太阳能发电>第六版》中，预测在政策激励的加速成长模式下，2030年全球光伏累计装机容量将会达到1 845 GW,2050年将达到4 670 GW。按70%为晶硅电池，以每瓦晶硅电池耗硅量5 g计算，2016年～2030年间需要太阳能级多晶硅约520万吨，平均每年约需太阳能级多晶硅35万吨。我国是全球最大的光伏制造国，2015年，硅片、电池组件环节的全球市场占有率分别达到80%和65%，因此，未来我国对多晶硅的需求将会持续增大。

1.2.3 新材料产业

多晶硅是多种新材料的基础材料，包括薄膜材料，如微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜等，同时，这几种薄膜也是太阳能薄膜电池的材料。在多晶硅基础上衍生出的如纳米硅粉等，可作为有机硅高分子材料的原料与有机物反应，用来对金属表面进行特殊处理，这些应用涉及纳米、微型机械、医疗、平板显示等领域，具有巨大的应用前景。此外，硅可以与铝等多种金属合成特殊合金材料、新型变压器的非晶合金等，应用前景十分广泛。

可以说，多晶硅产业发展事关电子信息产业和新能源产业的命脉，美国半导体协会2000年有过报道，当年75亿美元的硅材料支撑起2 700亿美元的IC产业，进而支撑起上万亿美元的信息产业，其支撑比为1:36:100+，而我国北京大学王阳元院士也曾做过统计，IC产业、信息产业和GDP的拉动比约为1:10:100，故有人称“硅材料”是经济的倍增器，晶硅材料一直被美德日等国家所垄断，直至近些年，借助光伏产业的发展，我国和韩国多晶硅产业的奇军突起，局面才有所改观。