中國是世界最大的電子產品生產國和消費國，近年來，在集成電路和通訊技術上，中國已經取得瞭一定的技術積累，得到瞭社會各界廣泛的關註，但是，在芯片產業最基礎的原材料——電子級多晶矽上的技術積累不足，中國幾乎完全依賴進口，大規模工業化提純技術也掌握在外國手裡，原料采購不僅溢價高，而且受制於人。

　　這種局面終於得到瞭改變，前段時間，純度要求達到99.999999999%的電子級多晶矽終於全面量產，相信能夠滿足最先進芯片的制作要求，支撐起“中國芯”的騰飛。

（一）為什麼半導體行業用高純度矽做基礎材料？

　　矽是一種隨處可見的元素，在地殼中的含量高達26.3%（僅次於氧），但高純度的單質矽卻是一種戰略級別的先進基礎材料，擁有著眾多獨特的性質，符合光伏產業和半導體產業對元器件的獨特要求。

33c7dd11c380e4e9d0303c6823caa6b1以矽為基礎材料制作的太陽能電池板能夠根據光電效應單向輸送電流

　　在正常的環境下，純矽的電阻率為214×1000歐姆/厘米。在矽晶體中，每個原子具備四個電子，不多不少，所有外層電子都形成瞭完美的共價鍵，不能到處運動，導致瞭電阻率奇高，幾乎就是絕緣體——隻能通過極小的電流。

　　表面上看，似乎矽並不是很好的材料，但高純度的單質矽卻受到以下幾種條件的影響，使得它的性能具備很大的可塑性。

熱敏性。

　　矽的電阻率與溫度有密切的關系，隨著溫度升高，電阻率會明顯變小，在1480攝氏度左右時達到最小。換句話說，在正常使用的狀態下，溫度越高，導電性就越強，這就給瞭光伏和半導體器件更多使用上的便利。

光電特性。

　　矽材料對光十分敏感，無光照時，電阻率較大；受到光照時，電阻率會大幅下降，這種半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為“光導電”。

　　利用“光導電”特性以及光電效應制作的光電器件就是常見的光伏電池，作為一種新能源，它可以把光能直接轉換成電能，是一種方便的清潔能源。

摻雜特性。

　　純凈的半導體材料電阻率很高，但摻入極少量雜質元素後，其導電能力會發生明顯的提高。

　　因此，人們對於矽材料的純度有著極高的要求，芯片性能越高，對矽原材料的純度要求就越高，為瞭避免雜質對半導體材料的污染，出現導電率的重大偏差，矽料的生產必須在無塵環境下。在此基礎上可以給半導體摻入微量的某種特定雜質元素，精確控制它的導電能力，用以制作各種各樣的半導體器件。

　　一般使用的單質矽材料分為多晶矽和單晶矽兩種，它們都可以用來制作光伏電池。多晶矽與單晶矽的差異主要表現在物理性質上：多晶矽晶體的導電性遠不如單晶矽顯著，甚至於幾乎沒有導電性。高純度的多晶矽在單晶爐中經過簡單的熔煉後，就可以形成單晶矽（整塊材料由一個晶粒生長而成），切片後供集成電路制造所用。

單晶矽表面呈現規則的金字塔狀絨面（左），多晶矽表面呈現孔狀絨面（右）

（二）中國光伏級多晶矽產能充足，電子級多晶矽缺口巨大

　　與簡單的電路不同，半導體集成電路有信號輸入和輸出的需求，原材料需要滿足絕對的單向導電性。

　　前面提到過，高純度的矽單質幾乎是絕緣體，但是通過對高純度矽內部混入雜質，可以形成兩種不同類型的半導體：N（negative，負）型和P（positive，正）型。

　　N型矽是指在矽中摻雜微量的磷或砷，磷和砷的外層有五個電子，而矽隻有四個電子，所以它們的第五個電子沒有結合鍵，可以自由移動，因此N型矽本身是一種良好的導體。

　　P型矽則與N型矽相對應，微量摻雜使用硼或鎵，它們隻有三個外層電子，由於缺少一個電子，矽無法形成化學鍵，所留出的孔可以導電，因此在晶體結構中產生瞭“空穴”，很容易吸引電子結合。P型矽也是一種良好的導體。

　　將N型矽和P型矽結合起來後，它們的結合部就會產生奇特的性質。

　　如果P型矽和N型矽像下圖一樣結合起來，它們就可以很好地傳播電流，N型矽中的自由電子受到電池負極驅動，P型矽的孔則方便接受這些自由電子，孔和電子在PN結合部相遇，電子會迅速填充到這些孔中，形成平衡，在結合部產生電流。

ea30cadfef26d54caee300d53c4153b7PN結的形成

　　但如果把P型矽和N型矽的位置轉換過來，N型矽中的電子會被吸引到正極，而P型矽中的正電子會被吸引到負極，結合部中幾乎不產生電流，整個電路就無法有效傳導任何電流。

　　也就是說，PN型矽的結合體在一個方向允許電子的傳輸，而在另一個方向上阻止電流通過，類似於地鐵站中的驗票機——我們稱之為單向導電性。

　　基於這種邏輯，人類發明瞭二極管，構建瞭現代集成電路的宏偉技術大廈。

　　為瞭盡可能精確地控制半導體分立器件的物理性質，基礎矽原料單單具備光伏級的純度是不夠的。

　　中國在前幾年曾經大力扶持發展太陽能光伏產業，使得光伏級多晶矽的產量迅速攀升，目前的產能已經有些過剩。而電子級多晶矽的生產技術標準與光伏級多晶矽差別極大，對精細化工水平有著極高的要求。

　　相比光伏級多晶矽99.9999%的純度，電子級多晶矽的純度要求達到99.999999999%。更高的純度意味著更加復雜的生產和提煉過程，“11個9”的純度，相當於5000噸的電子級多晶矽中總的雜質含量僅有不到一枚1元硬幣的重量。

　　這使得光伏級多晶矽的生產工藝基本無法起到借鑒作用，難以通過技術升級直接轉化為電子級生產線，也就是說需要另起鍋爐才能造出滿足需求的產品。

電子級多晶矽對精細化工技術有著極高的要求

（三）電子級多晶矽的量產，讓中國芯片產業無後顧之憂

　　根據業內人士的統計，目前國內電子級多晶矽的年度需求大約是4500噸，總量遠遠不及光伏級多晶矽，但利潤空間極大。

　　從近年的發展狀況來看，多晶矽產業鏈在中國得到長足發展，在全球市場上已然占據不小的比例，但技術上仍然不夠先進，電子級多晶矽仍然依賴進口。

　　如果這一狀況無法得到改變，這種關鍵基礎材料的缺失會讓中國電子制造領域的追趕化為空談。

a927af4ab2daeea767933d9a6a3460e7近年中國多晶矽產量不斷攀升，但多是光伏級多晶矽

　　電子級多晶矽是純度最高的多晶矽材料，中國電子級多晶矽的投產，不僅打破瞭國外技術的壟斷，填補國內電子級原材料生產的空白，也意味著中國很快將成為美國德國之後全球第三大電子級矽材料生產國。

電子級矽原料可用於制作晶圓

　　經過一系列嚴格的驗證、檢測，近日，中國一批電子級多晶矽成功出口韓國，這是中國首次向國際市場出口電子級多晶矽材料，標志著中國半導體集成電路用矽料已經達到國際一流質量標準。

　　目前中國投產的第一條生產線的產能為5000噸，可保證國內企業近年內電子級原材料供應充足，產品質量能夠滿足40nm及以下極大規模集成電路用12英寸單晶制造需求，並少量出口。

　　同時，中國還規劃在未來增設兩條5000噸生產線，以更好地滿足國際國內市場，並由此一躍成為世界第一的電子級矽原料生產國，徹底擺脫受制於人的局面。

結語

　　任何產業的蓬勃發展都離不開基礎原材料的保障，電子制造產業同樣不能例外。

　　集成電路被譽為電子信息產業“皇冠上的明珠”，是一個國傢電子信息產業的基石，更是判斷一個國傢工業水平的一種標準。隨著核心技術的突破，中國高性能多晶矽產業必定能夠迎來自身的契機，帶動整條電子制造產業鏈的成長。

　　集成電路這場宴會，中國人不能缺席。

作為世界上認知度最高的標簽，中國制造（Made in China）正尋求戰略升級。「瞭不起的中國制造」專欄，力邀行業權威、資深玩傢，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯系newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

歡迎關註《瞭不起的中國制造》官方微博

歡迎關註《瞭不起的中國制造》網易號

編輯| 史文慧