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[信息] 台湾硅材产业的转机

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发表于 2008-12-9 09:28:09 | 显示全部楼层

台湾硅材产业的转机

茂迪与益通公司的兴起带动近年来整个台湾投资太阳光电的热潮,许多厂商纷纷投入产业链的中游与下游,中美晶、合晶与绿能等则投入上游的晶圆製造,但是厂商一直无法进入上游的硅材料领域,亦即无法形成完整的产业链,也就是无法确保中游与下游厂商的稳定供料。

  台湾政府、工研院与厂商一直在努力设法引进国外相关技术,只是国外大厂一直不愿意到台湾设厂生产硅材料,但是直到今年才开始出现一些新的机会与成果。

  台湾硅材产业的转机

  

  图一 太阳光电产业结构

  传统的燃料能源日渐减少,对环境造成的危害日益严重,同时全球还有20亿人无法获得正常的能源供应。此时,全世界都把目光聚焦于再生能源,希望再生能源能够改变人类的能源结构,维持人类的永续发展。受到石油价格高涨、京都议定书等影响,再生能源产业已经在全球兴起,太阳电池以其独有的优势成为现阶段人们重视的焦点。

  茂迪与益通公司的兴起带动近年来整个台湾投资太阳光电的热潮,许多厂商纷纷投入产业链的中游与下游,中美晶、合晶与绿能等则投入上游的晶圆製造,但是厂商一直无法进入上游的硅材料领域,亦即无法形成完整的产业链,也就是无法确保中游与下游厂商的稳定供料。

  台湾政府、工研院与厂商一直在努力设法引进国外相关技术,只是国外大厂一直不愿意到台湾设厂生产硅材料,但是直到今年才开始出现一些新的机会与成果。

  埋在深山的矿石

  

  图二 深山中的石英矿床

  硅晶圆的原始提炼材料为石英,亦即是一种二氧化硅(SiO2)的结晶体。石英砂是一种坚硬、耐磨、性脆、化学性能稳定的硅酸盐矿物,主要成分是SiO2,属于六方晶系,颜色为乳白色或无色半透明状,熔点为1,750oC,相对密度为2.65,莫氏硬度为7,表面呈现油脂光泽,断口为贝壳状,不溶于酸性液体,但微溶于KOH溶液。

  石英矿通常形成于火成岩、变质岩和沉积岩,地底的矿源通常以脉状型态浮现到地表,然而经过千万年时间的风化作用与地壳运动,有时也会以块状型态呈现,至于不断风化与水蚀造成的细粒,则会生成砂滩或砂砾脉。台湾的石英矿蕴藏在竹苗与宜兰一带的山区,早期新竹、苗栗一带的石英砂矿,纯度稍高者主要供应玻璃业使用,较低者则供应给铸造翻砂业,因此在铜锣、三义地区一直存在数家石英砂厂,但是随着矿源的日渐枯竭和纯度要求的提高,现在都已逐渐衰微。

  目前台湾工业界的需求仅限于低纯度的产品,供应给钢铁业、陶瓷业与磁砖业等,来源大都取自越南、高棉等东南亚国家。至于高科技使用的滤光玻璃、人造水晶、光学玻璃、石英坩埚、石英舟、石英管、光纤等原料,都是完全仰赖进口。

  优质矿源才值钱

  

  自矿脉中取出的石英矿石需要利用人工或机械的方法。分出不同纯度的等级,不同的等级有不同的製程,使用在不同的领域。首先矿石必须经过粗级粉碎,细级粉碎,然后研磨成各级所需的粒度。

  中国大陆的石英矿源相当丰富,多数的矿源本质纯度与台湾类似,都只能做为一般工业用途,所製成的石英砂只是适用于生产玻璃、陶瓷、玻璃纤维、灯泡、石英砖、水泥漆或提炼钢、铁、铜、铝的添加剂。一般商业产品可分类为普通石英砂,半精製石英砂,精製石英砂,高纯石英砂等系列,目前中国大陆的交易价格大致如上表。

  一般的石英矿砂的应用范围就仅限于一般工业,销售的价格并无良好的利润,必须拥有优良的矿源才能製造丰厚的收入。如果能找到优质量大的矿源,再利用洗矿与选矿方法,将石英矿砂提纯到99.9 % 以上,则目前每吨的价格甚至可提高价格至NTD 30,000 ─60,000元,不但投资金额迅速回收,而且获利丰厚,自然是一种相当吸引厂商投入的项目。

  翻山越海找矿源

  

  图三 石英矿样品

  虽然台湾的石英矿源似乎不少,例如宜兰一带的矿区,但是大多不具开採价值,主要原因如下所述:

  1.矿源蕴藏量都是在百万吨以下,无法长期稳定供应。由于矿产开发投资具有金额庞大与回收期长的特性,因此规模不够则不符合经济原则。一般值得投资开採的石英矿源最好在千万吨以上。

  2.矿源本质大多不佳,亦即二氧化硅的纯度不够,亦或杂质的含量过高,如果要用于製造多晶硅原料的矿源,N与P的含量不能太高。

  3.矿源的地理位置不良,造成探勘与开採困难。例如需要开筑道路,则投资费用增加与先期作业时间延长;加上开矿需要不少人力资源,台湾工资过高,成本又要增加。

  4.政府管制措施较多,例如台湾已经严格限制矿产探勘与开发活动,同时环境影响评估与环保法规也有许多限制。

  由于台湾经营石英矿源不易,因此许多厂商开始前往海外寻找机会,但是包括中国在内的许多国家都已经禁止优质石英矿出口,因此台湾厂商大多转往斯里兰卡等地区寻找机会,这些地区并无太阳光电等高科技产业,也因而较不会管制开採与出口。台湾有数家厂商先后前往斯里兰卡,例如台旺、安磊与旭灿等公司,其中有成功者,当然也有失败者。

  浴火凤凰成硅金

  

  图四 石英砂还原炉构造

  拥有优质的石英矿砂要变成多晶硅或半导体级硅材料,首先需要将石英进行还原反应,亦即将SiO2的氧原子移除,变成纯硅(Si),目前大都是使用石墨电极电弧炉,利用碳粉将SiO2 还原成冶金级硅。在还原反应时需要使用大量的电力,每公斤硅产品大致使用13kWh的电力,因此设厂地点必须挑选电价低廉的地点,才能降低生产成本。

  冶金级硅的纯度都在99%以上,一般经过硅烷厂才能提纯至99.9999%以上。目前Hemlock、Tokuyama与Wacker等厂的提纯製程都不相同,以西门子法製程为例,经过流体化床硅烷化、硅烷蒸馏精製与CVD炉还原,方能得到高纯度的电子级硅。硅烷厂使用的原料,除冶金级硅外,需要大量的HCl与氢气,因此需要有附属工厂製造这些原料。硅烷厂生产的电子级硅送到晶圆厂后,先利用长晶炉再度提纯与製造硅晶棒,然后经过切晶与研磨等程序生产太阳电池所需的晶圆片。

  多晶硅太阳电池所用晶圆的纯度要求较不严格时,如果冶金级硅的纯度达到99.99% 以上时,可以不必经过硅烷厂的程序,直接利用特殊设计的长晶炉,即可得到适用的硅晶棒,如此即可降低生产成本,成为一些厂商目前努力的方向。
 楼主| 发表于 2008-12-9 09:33:54 | 显示全部楼层
产业风云点将录

  

  图五  硅材料与晶圆製程

  台湾的太阳电池硅材料产业,在厂商的接续努力下终于开始进入萌芽期。李长荣化工于今年八月底宣佈与亿光电子合资成立福聚太阳能公司,双方将投资约120亿元生产多晶硅材料,预计每年产能为2,500公吨,建厂时间约两年。同时,还有一些厂商也开始跨入此行业,对于建立完整的太阳电池产业链将有后续可观的连动效应。

  本集厂商报导选择的两家厂商,分别是荒野传奇的旭灿实业股份有限公司,以及中华技术学院的长晶中心。旭灿实业已经实际销售太阳电池硅矿冶鍊用高纯度石英矿砂,而长晶中心已经引进俄罗斯相关技术与设备,并且实际协助太阳光电公司推动硅砂精炼计画。

  长晶中心 ― 晶体生长技术研发中心

  

  图七  中华技术学院长晶中心参展摊位

  台北市南港区的中华技术学院与俄罗斯Vniisims公司技术合作,于2005年三月正式成立晶体生长技术研发中心,成为各式晶石的专业研发机构。该中心共有四套设备,包括蓝宝石长晶炉、蓝克赛拉晶炉、石英长晶炉,以及鑽石膜生长设备,并且拥有一批自俄罗斯受训回国的专业技术团队。

  该中心的研究项目包括太阳电池硅材料长晶技术,因此参加今年于国际会议中心举办的台北国际太阳光电展,展出两年来的研究成果,获得许多参观厂商与民众的高度兴趣与重视,希望能多瞭解技术掌握程度与产品性能,以及参与技术合作的可行性。

  太阳光电能源科技公司的硅砂精炼计画即与长晶中心合作,该公司今年八月发表第一阶段成果,前段製程採用热碳还原法,后段製程使用定向凝固法,已经成功获得初步样品,而且关键成份已达到预期纯化效果。接着该公司于十月宣布,已投入超过一亿元资金,预计2008年初设厂,开始投入第一条试产线,年产能约3 MWp。

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