CCZ技术+硅生长设备行业分析报告.docx
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CCZ技术+硅生长设备行业分析报告
CCZ技术+硅生长设备行业分析报告
正文目录
图表目录
1.CCZ技术优势明显,是单晶硅片生长技术方向
1.1.RCZ是当前单晶硅生长技术主流
根据晶体生长方式不同,当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法(FZ法)和直拉法(CZ法)两种,直拉法相对来说成本更低,生长速率较快,更适合大尺寸单晶硅棒的拉制,目前我国90%以上的太阳能级单晶硅通过直拉法进行生产,预计今后仍将大比例沿用。
直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放臵在石英坩埚中加热熔化,再将单晶硅籽晶插入熔体表面,待籽晶与熔体熔和后,慢慢向上拉籽晶,晶体便会在籽晶下端生长,并随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成晶棒。
图1:
直拉法原理示意图
最初的直拉法是分批直拉法(BatchCzochralski),一个坩埚只能拉制一根晶棒,并且在拉制完以后坩埚因冷却破裂而无法重复使用。
目前单晶硅工业生产多采用RCZ多次拉晶技术(RechargedCzocharlski),是在分批直拉法的基础上给设备增加加料装臵改进而来。
RCZ法在每次拉制完硅晶棒以后使坩埚保持高温,并通过加料装臵将多晶硅颗粒原料加入到坩埚内剩余的硅熔液中熔化,用于下次晶棒拉制。
由于RCZ法不会像分批直拉法那样因冷却坩埚而导致坩埚破裂,使得坩埚的多次利用成为可能。
图2:
RCZ加料装臵示意图
图3:
RCZ法单晶硅生长炉
但是无论是分批拉制法还是RCZ法,坩埚内硅熔液都会随着单晶硅棒的拉制而变少,引起液面下降,造成拉制环境中热动力环境的不稳定,易引起拉制单根硅晶棒性质的不均一。
图4:
传统直拉法拉制前后热场情况(箭头代表热力流动方向)
此外RCZ法的效率提升空间有限。
当一根拉制完的晶体在闸门中冷却时,下次拉制的硅原料通过加料管被添加到坩埚中剩余的硅熔液中。
因此硅料的添加在晶体冷却时完成。
然而进行下一次拉制前必须要等待单硅晶棒在闸门室中冷却完毕并移除,造成了工业生产的低效率。
1.2.CCZ技术成本及产品品质优势明显
CCZ(ContinuousCzocharlski)连续直拉法采用特殊直拉单晶炉,晶棒拉制与加料熔化同时进行。
CCZ的单晶炉上装有储存颗粒硅原料的漏斗,并与一个振动给料器相连。
CCZ使用的坩埚为双层坩埚,颗粒硅通过加料器加入到外层坩埚内,石英挡板能够有效隔绝加料引起的熔液扰流,防止内层坩埚的拉制过程受到加料过程影响。
图5:
CCZ技术原理示意图
图6:
CCZ单晶硅生长炉
图7:
CCZ拉制工艺流程图
CCZ连续直拉法最大的优势为效率优势。
CCZ直拉法晶棒拉制(等径生长流程)与加料熔化同时进行,省去了单晶棒冷却的时间,大大提升了工业生产效率。
同时CCZ法在坩埚所允许的寿命周期内可完成8-10根的晶棒拉制,而RCZ目前仅可完成4-5根拉制。
表1:
CCZ与RCZ一炉两根拉晶工序时间对比
此外,由于CCZ连续直拉法一边拉制,一边加料的特性,坩埚内多晶硅液面保持稳定,这能够给拉制过程带来更稳定的热场环境,便于精密控制生长条件,可以较快速度获得优质大单晶。
CCZ连续直拉法生产的单晶硅棒还有更均衡的电阻率。
普通直拉法中,为了控制晶棒的电阻性,晶棒拉制过程中掺杂剂(如硼、磷或锑)被添加到硅熔液中。
随着晶棒的拉制,由于不同的偏析系数,剩余硅熔液中的掺杂剂浓度升高,拉制出来的晶棒电阻率降低,导致后半部分晶体的电阻率偏离预定的范围,降低工业生产效率。
而CCZ技术中的掺杂剂能够被精确地连续添加进熔液中,使得生产出来的单晶硅棒有更均衡的电阻率。
图8:
CCZ法与RCZ法晶棒电阻率对比(蓝线为RCZ,红线为CCZ)
1.3.困扰CCZ技术大规模生产的瓶颈逐步解决
移动式自动复投技术的掌握。
移动式自动复投技术是CCZ与RCZ的核心差异,只有掌握了移动式自动复投技术,才有可能从RCZ升级到CCZ技术,减少设备的复投的时间。
这需要企业提升自身研发实力,实现CCZ技术的工业化应用。
CCZ技术对复投料的要求极高,需要使用高品质颗粒硅作为原料,这也是限制CCZ技术发展的主要因素之一。
目前FBR(硅烷流化床法)生产的高品质颗粒硅产品可作为CCZ的最佳用料。
保利协鑫通过收购SunEdison的部分资产取得了FBR硅烷流化床法的技术,有望形成技术协同。
图9:
SunEdisonFBR技术示意图
图10:
颗粒硅
CCZ直拉法生产成本的降低依赖于坩埚寿命的延长。
目前国产的石英坩埚寿命在250小时左右,一定程度上限制了CCZ方法达到理论最佳的生产效率(一次拉8-10根)。
国外的石英坩埚寿命可达500小时左右,但是售价昂贵,约三万美元一只。
因此CCZ直拉法的大规模工业应用需要与国内企业合作,提升国产坩埚的使用寿命。
CCZ所用熔液质量很大一部分取决于熔液表面温度。
此外,随着提拉速度的提升,熔液-晶体的界面会产生更多的热量。
因此控制熔液表面温度控制和热传导的技术也是限制CCZ效率进一步提升的因素之一。
在CCZ工业应用时,企业需要设计出良好解决方案来应对这一问题。
2.国内外CCZ技术不断完善
2.1.国外少数企业掌握CCZ技术
CCZ技术自上世纪90年代提出以来分为两种流派,一种是连续加注预熔的液态硅原料,一种是连续加注固态硅原料。
由于液态复投料生产的硅晶棒质量难以达到预定要求,且拉制过程易受晶棒碎屑影响,难以实现工业应用。
而固态CCZ法对复投料的要求极高,需要使用高品质颗粒硅作为原料,这也是限制CCZ技术发展的主要因素之一。
因此由于成本和原料的原因,CCZ技术一直未投入大规模工业生产。
近年来随着固态多晶破碎技术的发展,CCZ技术将迎来良好的发展前景。
尤其是FBR生产的高品质颗粒硅产品可作为CCZ的最佳用料。
据谷歌专利搜索,SunEdison在CCZ连续直拉法相关的技术专利数量位居全球第一,是世界上上少数几家能将CCZ技术投入到实际工业生产的企业之一。
协鑫收购的SunEdisonCCZ技术已是其第五代技术。
表2:
SunEdisonCCZ代际技术指标
美国的GT-AT(NASDAQ:
GTAT)在2011年收购ConfluenceSolar以后获得其CCZ技术(HiCZTM),也实现了CCZ技术的工业化生产。
GT-AT的CCZ技术使其相比原有拉晶技术单晶产量提升10%,成本降低15%。
韩国的siliconvalue公司在2013年的Solar,Wind&EarthEnergyTradeFair上展出了其CCZ生产设备,该设备能够实现一次拉5根单晶硅棒。
FBR技术发展也来源已久,在不同工业生产过程中都有应用。
应用于颗粒硅的FBR技术仅掌握在REC、SunEdison等少数企业手中,且多数生产的颗粒硅纯度只有6N-9N。
SunEdison能够用FBR生产出纯度达11N的颗粒硅。
2.2.协鑫收购SunEdison资产,有望引领国内CCZ发展
2.2.1.多晶硅龙头面临单晶硅降本困扰
目前市场上用的最多的是多晶硅,但是随着单晶硅的技术突破,成本逐渐下降,据《中国光伏产业发展路线图》,单晶硅的市场占有率已从2015年的15%提升至2017年的31%,单晶硅的成本比多晶硅大概多0.1元/w。
单晶效率16-18%,多晶15-17%。
单晶衰减率较低,所以单晶硅的寿命最长;单晶的效率较高,投资回报高。
图11:
单晶硅优势
图12:
单晶市场份额逐年提高
传统的砂浆钢线切割是通过高速运动的钢线带动掺在切割液中的碳化硅游离颗粒磨刻硅棒,切割形成硅片,通常切速仅有0.4mm/min。
金刚线切割是在钢线表面利用电镀或树脂层固定金刚石颗粒,切割过程中金刚石运动速度与钢线速度一致,其切割能力相比传统的游离切割有大幅提升,因而可采用1.0mm/min甚至1.2mm/min以上的大切速,切割效率可大幅度提升2-3倍以上。
使用金刚石切线可以降低能耗和成本,再加上单晶棒的连续加料技术的推广使产量上升,多晶对单晶的价格优势逐渐消弭,多晶硅的性价比优势将不复存在,单晶硅有望通过技术壁垒的突破实现后来居上。
此外,价格下降的趋势提高了单硅晶片在电池端的竞争力,利于单晶硅片的销量。
图13:
单晶、多晶硅价差减小(美元)
图14:
金刚石线在硅片切割未来应用的预测
保利协鑫在多晶领域无疑拥有绝对的优势地位,但自2015年开始,为加快光伏平价上网速度,国内实行了光伏“领跑者”计划。
该计划通过制定激励政策,鼓励同类可比范围内能源利用效率最高的光伏产品、企业或单位的技术研发、宣传和推广,而落地在实际操作中,大部分“领跑者”项目选择了光电转换效率更高的单晶组件,单晶硅市场在政策倾斜和技术创新成本下降下,迎来需求的快速增长。
2.2.2.背水一战,收购SunEdison开启单晶硅之路
作为全球多晶硅和硅片产能第一的龙头企业,从2015年开始,保利协鑫开始把目光移向单晶领域,包括宁夏单晶项目,与中环股份在单晶领域的全面战略合作,以及对美国老牌单晶企业SunEdison部分资产的收购,掌握了CCZ连续直拉单晶、FBR硅烷流化床法技术;在单晶硅市场快速增长之下,保利协鑫能源开始“单多晶并行”的战略部署。
3.扩产竞赛或将继续,设备企业有望受益
3.1.协鑫项目将激化产能竞赛,设备市场规模持续提升
保利协鑫能源4月10日公告,拟在云南曲靖成立合营公司研发生产单晶硅产品,设计产能共20GW,分两期进行,总投资约人民币90亿元。
截至底,单晶硅领先厂商隆基、中环分别将拥有28GW、23GW单晶硅产能。
根据隆基公告,到2020年其将达到45GW产能。
协鑫的加入将进一步激化单晶硅竞争,预计硅片企业扩产进程将继续,设备商将迎来增长红利。
3.2.硅生长设备是核心,约占总投资的30~40%
单晶硅生长炉是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。
主要由炉体、晶体坩埚拉伸与旋转装臵、气氛及炉压控制装臵、电气系统和热场五大部分组成。
其中热场主要包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器及保温材料等,这些热场部件对炉内的控制温度分布起到关键性影响。
石英是目前直拉法生长单晶硅最通用的坩埚材料。
图15:
直拉法单晶硅炉工作原理图
图16:
热场组成图
协鑫云南项目计划建设20GW单晶硅产能。
按照1GW需要125台硅生长炉,单台售价150万测算,20GW产能仅单晶硅炉投资将达到37.5亿元。
考虑工艺保密性,核心的软控系统协鑫或将自己提供,其它组件大概率将外购。
4.主要公司分析
4.1.天通股份:
泛半导体设备+材料共振,产业聚焦合力启航
战略发展方向聚焦,公司进入快速增长期:
公司从磁体材料起家,逐步发展为国内领先的铁氧体磁芯领先厂商。
经过多年的多元化发展布局,自2014年以来,公司战略方向逐渐清晰,形成了粉体材料及设备、晶体材料及设备两条业务发展主线,制造能力逐步增强,经营业绩稳步增长,ROE、利润率及周转率等指标逐年改善。
2017年实现营收21.79亿元,同比增长28.82%,实现归母净利润1.57亿元,同比增长42.17%。
2018Q1实现归母净利润8207.23万元,超过2017年全年的一半。
随着公司布局业务的陆续放量,公司发展有望继续提速。
蓝宝石需求旺盛竞争格局优化,公司受益业绩有望加速释放:
公司实现了蓝宝石200kg晶锭量产,在建400kg量产基地并研发600kg以上晶锭,处于行业领先地位。
蓝宝石在LED、消费电子等领域应用较多,随着LED照明加速渗透、小间距显示加速增长、MINI-LED和Micro-LED市场逐步启动,蓝宝石需求走旺。
我们测算国内市场蓝宝石市场空间达117亿元。
公司作为全球唯一实现C向蓝宝石长晶量产的公司,在技术水平、制造成本、现金流情况等方面优势显著。
随着竞争对手陆续退出市场,行业竞争格局优化,公司业绩有望继续快速提升。
光伏硅片新技术带来新机遇,公司优势显著有望受益:
单晶硅优势日益凸显,CCZ技术在成本、效率、品质等方面有独特优势,有助于新玩家切入单晶硅领域,有望掀起行业新一轮扩产浪潮。
公司多年深耕单晶硅炉制造技术,产品质量优异,与硅片企业合作密切。
考虑到工艺安全、成本等因素,硅片企业与设备企业一般建立独家合作关系,公司有望绑定优质客户,与客户共同享受技术变革红利。
积极布局泛半导体装备,新增长点次第放量提升业绩表现:
公司半导体级硅生长炉有望9月开始供货;与美国Trojan等成立合资公司,推进CMP等晶圆制程核心设备研制;立足于现有平板显示自动化光检、搬运设备和模组设备业务基础上,深化技术储备、完善产品条线,有望受益国产OLED普及大潮。
投资建议:
公司粉体、晶体材料+设备战略方向清晰,泛半导体业务持续快速增长经营业绩持续改善。
随着公司布局逐步兑现,公司发展有望继续提速。
我们预计公司2018年-2020年的营收分别为30.30亿元、41.82亿元、51.41亿元,净利润分别为3.40亿元、5.43亿元、6.68亿元,维持买入-A投资评级。
6个月目标价为12.3元,相当于30倍动态市盈率。
风险提示:
新业务推进不达预期、市场竞争加剧
4.2.晶盛机电:
光伏及半导体齐发力,硅生长炉强者再谱新篇
光伏产业进入良性发展轨道,硅片厂扩产公司继续受益:
光伏产业经过大萧条之后从2012年开始重回景气,增长动能从严重依赖海外补贴变为性价比提高带来的市场内生需求。
我国领跑者计划、光伏扶贫等也助推产业持续走强,产业增速近几年持续超预期。
根据我们产业链调研,业内人士对光伏产业发展乐观,预计光伏制造商将继续大力扩产。
海外方面,龙头公司也制订了积极的生产计划,预计公司订单将继续快速增加。
半导体用单晶硅炉市场启动,优秀竞争态势助力公司做大做强:
公司是国内少数可以生产半导体级硅生长炉及智能设备的企业之一。
我国政府大力扶持半导体产业发展,据不完全统计,2018~2020年将有26座晶圆厂在华兴建,占全球新建总数的40%。
硅片作为晶圆制造的核心材料,长期为国外五大厂商把持。
据半导体行业协会统计,我国8寸晶圆国产化率仅为15%,12寸晶圆国产化率不到1%。
设备是硅片生产的核心要素,国外硅片厂基本都有绑定的设备供应商,国内硅片厂很难获得供货,发展国内设备商成为必由之路。
公司具有先发优势,并与天津中环、郑州合晶、有研等厂商深度合作,最有潜力成为国产硅生长炉主力供应商,发展前景广阔。
大尺寸蓝宝石研制不断突破,打开增长新空间:
公司公告生长出450公斤级蓝宝石晶体,可应用于LED的4寸晶棒有效长度超过4000mm。
这是公司2017年突破300公斤级蓝宝石后的又一重大进展。
蓝宝石主要用于LED衬底及手机按键,生产成本是推广关键。
公司生产蓝宝石可大幅降低生产成本,未来有望成为主流LED供应商,将成为公司业绩又一增长极。
风险提示:
下游需求波动、市场竞争加剧
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