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江丰电子,烧不出大号靶材

时间:2019-09-07 18:44来源:科学研究
是什么卡了我们的脖子 烧不出大号靶材,平板显示制造仰人鼻息 烧不出大号靶材 平板显示制造仰人鼻息 在有色金属领域,“铟”这种稀有元素的战略价值甚至大于石油,它于1863年由

是什么卡了我们的脖子 烧不出大号靶材,平板显示制造仰人鼻息

烧不出大号靶材 平板显示制造仰人鼻息

在有色金属领域,“铟”这种稀有元素的战略价值甚至大于石油,它于1863年由德国化学家赖希(H.Richter)在锌精矿中发现。作为研发高科技产品的关键原料,目前为止还没有找到任何替代品。铟在地壳中的分布量比较小且分散,它的富矿还没有被发现过,世界上铟产量的90%来自铅锌冶炼厂的副产物。中国是全球最大原生铟生产国,铟全球储量约1.5~1.8万吨,中国为1.3 万吨。2006年,日本将铟列入优先储备对象,但其进口地只有中国,美国也是中国铟的最大进口国之一。

高纯/超高纯靶材是实现溅射镀膜的关键。目前主流的PVD 镀膜技术主要包括溅射镀膜及真空蒸镀,其中溅射镀膜主要用于大面积基板材料镀膜,蒸发镀膜主要用于小尺寸基板材料镀膜,溅射靶材及蒸镀靶材是实现PVD 镀膜的关键。PVD 镀膜的应用领域广泛,并且靶材的纯度直接决定了最终的电子器件或光学元器件的质量和性能,因此提纯及纯度控制是靶材制造的关键,一般要求高纯度、高致密度、成分与组织结构均匀、晶粒尺寸细小,目前溅射靶材产品纯度一般99.99%-99.9999%(即4-6N)。

一块小小的玻璃,不仅可以导电发光,还可以幻化出形式各异的文字和静态、动态的炫目影像,这就是人们如今已司空见惯的各色平板显示屏。

亟待攻克的核心技术

备受各国觊觎的“铟”主要用于制造低熔合金、轴承合金、半导体、电光源等的原料。其中,作为透明电极涂层的ITO靶材用量,约占铟用量的70%,年需求量为200吨左右。随着中国ITO靶材生产全面占领国内市场并走向世界,预计未来中国ITO靶材领域对铟的需求将会超过700吨/年。因ITO靶材为铜铟镓硒薄膜太阳能电池专用的原材料,随着发展薄膜太阳能被列入国家战略,铜铟镓硒这一细分技术路线引起了行业的极大关注,同时也普遍担忧储量和产能均不高的“铟”会不会成为制约薄膜太阳能产业发展的瓶颈?

    上游高纯金属材料长期垄断在美日德企业,国内厂商正努力寻求突破。产业链各环节参与企业数量基本呈金字塔型分布,具有一定的区域特性,上游高纯金属行业集中于美日德,具有较强的议价能力,主导产业发展。高纯溅射靶材是随半导体产业的发展而兴起,美、日企业对核心技术严密把控,掌握着行业主导权,并且全球半导体工业的区域集聚性造就了溅射靶材企业的聚集度同样较高。

玻璃本身不导电,也不发光,奥妙全在于背后涂装的一层薄薄透明导电膜。就是这层不足头发丝直径五百分之一的膜,背后有一块看不见的“靶”。

本报记者 赵汉斌

技术突围 打破“稀有性”瓶颈

    下游领域包括半导体、平板显示、太阳能LOW-E 玻璃等,全球靶材市场规模呈现快速成长的势头。溅射靶材行业受益于下游如平板显示器、半导体、太阳能电池、光磁记录媒体、光学元器件等快速发展,2016 年全球溅射靶材市场规模约为113.6 亿美元,其中平板显示(含触控屏)用靶材为38.1 亿美元、半导体用靶材11.9 亿美元、太阳能电池用靶材23.4亿美元、记录媒体靶材33.5 亿美元;到2019 年,全球溅射靶材市场规模将超过163 亿美元,年复合增长率达13%。

“全国有20余家靶材生产制造商,但能做超过32英寸靶材的,我们还是‘零’!” 在这个行当搞了20多年研发的郑州大学教授、河南省资源与材料工业技术研究院原总工程师孙本双告诉科技日报记者。

一块小小的玻璃,不仅可以导电发光,还可以幻化出形式各异的文字和静态、动态的炫目影像,这就是人们如今已司空见惯的各色平板显示屏。

其实,铜铟镓硒薄膜太阳能组件生产中的铟用量是可以通过技术手段降低的。以汉能为代表的新能源企业在规模化扩张铜铟镓硒产能的同时,也都在积极探索降本方法。开发新型等离子喷涂靶材技术、靶材喷涂中损耗及残靶上的铟回收、RC镀膜产生固废铟回收、芯片切割及Web边缘的铟回收等手段,都是目前较为可靠的方案,可以大幅降低对铟的市场需求。此外,在铜铟镓硒电池中适当增加镓的成分、减薄电池膜层等方式,也可以减少铟的用量。

    由于长期依赖进口,靶材生产国产化需求日益迫切,将加速本土化发展,国家产业投资基金、各项政策支持,半导体产业链包括材料等都将取得快速进步,并且目前材料国产化率较低,从国家意志层面也有迫切实现国产化的需求。近年来国内面板、半导体产业发展迅速,国内企业在江丰电子、阿石创等企业的努力下,在靶材生产技术及市场方面均取得了突破,已有国内龙头企业打入核心客户产业链中。

在有色金属的“朋友圈”里,铟锡的氧化物是实现电学传导和光学透明的绝佳组合。

玻璃本身不导电,也不发光,奥妙全在于背后涂装的一层薄薄透明导电膜。就是这层不足头发丝直径五百分之一的膜,背后有一块看不见的“靶”。

经测算,靶材喷涂中损耗及残靶上的铟回收率为98%,RC镀膜产生固废及无效Web上的铟回收率为95%,铜铟镓硒芯片转换效率以及生产良率的持续稳步提升,也能够降低约15%左右的铟用量需求。随着铜铟镓硒研发技术提升,转换效率提高,生产良率提高,回收技术的充分利用,1吉瓦的铜铟镓硒铟净用量将降低到10吨以下,而中期目标则为5吨/吉瓦-6吨/吉瓦。

    投资建议:溅投射靶材行业作为重点鼓励发展的战略性新兴产业,近年来国家出台了一系列产业政策引导溅射靶材工业健康稳定发展。“十三五”提出,到2020 年重大关键材料自给率达到70%以上,初步实现我国从材料大国向材料强国的战略性转变。随着此类新兴材料公司的不断上市,溅射靶材领域重点关注江丰电子(国内最大的半导体芯片用溅射靶材生产商,实现从0 到1 突破)及阿石创(综合型PVD 镀膜材料厂商),关注有研新材(子公司有研亿金:国内规模最大的金属靶材产业基地,多次参与国家项目)、隆华节能(子公司四丰电子及晶联光电:钼靶材、ITO靶材国内龙头企业)。

作为有色金属氧化物,简称为ITO的氧化铟锡在平板上具有很好的导电性和透明性,它还可切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,是平板显示器制造的重要原料。在薄膜状时,它是略显茶色的透明物质;在块状时,呈黄偏灰色。

“全国有20余家靶材生产制造商,但能做超过32英寸靶材的,我们还是‘零’!” 在这个行当搞了20多年研发的郑州大学教授、河南省资源与材料工业技术研究院原总工程师孙本双告诉科技日报记者。

据了解,汉能以溅射法生产铜铟镓硒组件的技术路线,薄膜太阳能电池转换效率超过19%,量产冠军组件达到18%,为铜铟镓硒柔性溅射法的世界纪录。制备此薄膜太阳能电池的过程中采用的一项名为《一种制备合金金属粉末的雾化装置》的专利技术近日获颁“中国好专利”奖项。

但它并不是像油漆一样被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成标准尺寸的固体靶材,由操纵磁控溅射的“枪手”,不断“射击”,将其气化溅镀到玻璃基板或柔性有机薄膜上,形成一层ITO膜。这层膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30纳米至200纳米。

问题出在尺寸上

在众多入局薄膜太阳能市场的企业自主研发核心技术,不断创新进取的推动下,尽管目前铜铟镓硒组件的生产成本高于单多晶组件,专业人士仍然有信心凭借其低衰减,以及柔性化、弱光性的优势在BIPV,与汽车、快递车、低速电动车结合等方面会产生差异化的竞争力,市场份额将逐步扩大。

ITO靶材不仅用于制作液晶显示器、平板显示器、等离子显示器、触摸屏、电子纸、有机发光二极管,还用于太阳能电池和抗静电镀膜、EMI屏蔽的透明传导镀膜等,在全球拥有广泛的市场。

在有色金属的“朋友圈”里,铟锡的氧化物是实现电学传导和光学透明的绝佳组合。

供需稳定 1/10量即可产180吉瓦电池

ITO靶材外形很像瓷砖,由来却远比瓷砖煅烧复杂得多——人们把氧化铟和氧化锡粉末按严格的比例混合后,经过一系列生产工艺加工成地板砖的形状,再层层摞叠到一个特制的炉子里,经过1700摄氏度高温气氛烧结,形成黑灰色的陶瓷半导体。通常靶材尺寸越大,溅射到平板上的拼缝就越少,价值也越高。

作为有色金属氧化物,简称为ITO的氧化铟锡在平板上具有很好的导电性和透明性,它还可切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,是平板显示器制造的重要原料。在薄膜状时,它是略显茶色的透明物质;在块状时,呈黄偏灰色。

国家能源集团方面相关研发人员表示:“倘若将全球1.8万吨可使用的铟,全部生产铜铟镓硒电池,能生产1800吉瓦,即使只有十分之一的量用到生产铜铟镓硒也能生产180吉瓦,就目前的铜铟镓硒产能而言,铟资源还是十分丰富的。现阶段看,铟尚不构成对铜铟镓硒应用的影响。”

但就在尺寸的问题上,国内ITO靶材企业一直鲜有突破,而后端的平板显示制造企业也要仰人鼻息。

但它并不是像油漆一样被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成标准尺寸的固体靶材,由操纵磁控溅射的“枪手”,不断“射击”,将其气化溅镀到玻璃基板或柔性有机薄膜上,形成一层ITO膜。这层膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30纳米至200纳米。

据了解,中国不仅是全球第一大铟储量国,还拥有株冶集团、中金岭南、锌业股份等多家全球领先的铟生产商,能够为持续增长的需求量提供强有力的供给。纵观金属铟近10年的价格走势,近几年基本都一直徘徊在成本价附近,大概在1400-1580元/千克之间。在偶发因素的刺激下,价格出现一定幅度的上涨是正常现象,但从综合存储量和产能等各方面看,铟价波动不会偏离正常价格区间太多。

技术和工艺是个难迈的坎

ITO靶材不仅用于制作液晶显示器、平板显示器、等离子显示器、触摸屏、电子纸、有机发光二极管,还用于太阳能电池和抗静电镀膜、EMI屏蔽的透明传导镀膜等,在全球拥有广泛的市场。

种种事实表明, 铟的供需已经进入到相对稳定时期。担忧其供应短缺、价格不稳也算事出有因,但不必过分杞人忧天。基于开采技术、钻探技术、提纯技术以及回收利用技术的不断提高,可以使用的铟资源和可探明的铟储量也会逐渐增多。即使未来几年铜铟镓硒产业爆发式增长,综合当前行业现状和市场供需产能,铟的供求关系也很难受到影响。

ITO靶材核心技术长期把持在日本三井、东曹、日立、住友、VMC和韩国三星、康宁等大企业手里。

ITO靶材外形很像瓷砖,由来却远比瓷砖煅烧复杂得多——人们把氧化铟和氧化锡粉末按严格的比例混合后,经过一系列生产工艺加工成地板砖的形状,再层层摞叠到一个特制的炉子里,经过1700摄氏度高温气氛烧结,形成黑灰色的陶瓷半导体。通常靶材尺寸越大,溅射到平板上的拼缝就越少,价值也越高。

可以预见,铜铟镓硒薄膜产业将进入更低成本的高速发展期,万亿级薄膜太阳能市场将全面开启。预计未来四年,铜铟镓硒光伏组件价格有望压缩至2.2元/瓦,铟作为其中重要的一份子,还将从中受益,在稳步发展中迎来更广阔的应用空间。

对国内的企业来说,技术和工艺是个难迈的坎。由于ITO靶材是由高温烧结而成,烧结技术工艺决定了产品质量,功夫不到家的话,最常出现批次质量不稳定的问题。溅射到屏上,有的ITO膜表面出现“麻点”;有的在蚀刻时容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;还有的会出现微晶沟缝。

但就在尺寸的问题上,国内ITO靶材企业一直鲜有突破,而后端的平板显示制造企业也要仰人鼻息。

当谈到生产装备与国外的差距时,孙本双教授叹息说:“差远了!”烧结大尺寸ITO靶材,需要有大型的烧结炉。国外可以做宽1200毫米、长近3000毫米的单块靶材,国内只能制造不超过800毫米宽的。“这如同人家已经在烧制大型地板砖,我们还只能烧小瓷砖。” 孙本双说。

技术和工艺是个难迈的坎

在1700摄氏度的“丹炉”中,靶材烧结需要6至10天。高温气氛烧结需要高浓度氧气参与,这项工艺也不易控制。长时间烧,很容易导致产品不均匀,成品率低。

ITO靶材核心技术长期把持在日本三井、东曹、日立、住友、VMC和韩国三星、康宁等大企业手里。

在产出效率方面,日式装备“牛气”,月产量可达30吨至50吨,我们年产量只有30吨——而进口一台设备价格要花一千万元,这对国内小企业来说无异于天价。

对国内的企业来说,技术和工艺是个难迈的坎。由于ITO靶材是由高温烧结而成,烧结技术工艺决定了产品质量,功夫不到家的话,最常出现批次质量不稳定的问题。溅射到屏上,有的ITO膜表面出现“麻点”;有的在蚀刻时容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;还有的会出现微晶沟缝。

目前,也有部分仿制的设备,但耐火材料不过关,难耐烧结工艺所需的烈火考验,烧结炉总体质量差强人意。“这需要生产技术与装备国产化重大专项的支持。”孙本双说。

当谈到生产装备与国外的差距时,孙本双教授叹息说:“差远了!”烧结大尺寸ITO靶材,需要有大型的烧结炉。国外可以做宽1200毫米、长近3000毫米的单块靶材,国内只能制造不超过800毫米宽的。“这如同人家已经在烧制大型地板砖,我们还只能烧小瓷砖。” 孙本双说。

质量不稳定、不过关的材料,谁见谁怕。各色终端生产厂家盘算下来还是觉得买国外进口的省事,久而久之,依赖进口成了“瘾”。

在1700摄氏度的“丹炉”中,靶材烧结需要6至10天。高温气氛烧结需要高浓度氧气参与,这项工艺也不易控制。长时间烧,很容易导致产品不均匀,成品率低。

功能性产品:有色金属大国之痛

在产出效率方面,日式装备“牛气”,月产量可达30吨至50吨,我们年产量只有30吨——而进口一台设备价格要花一千万元,这对国内小企业来说无异于天价。

每年我国ITO靶材消耗量超过1千吨,一半左右靠进口,用于生产高端产品。受有色金属期货价格波动和技术封锁等因素叠加作用,长期以来价格高企,成品价格最高达每公斤6千至8千元,占据企业不小的成本。

目前,也有部分仿制的设备,但耐火材料不过关,难耐烧结工艺所需的烈火考验,烧结炉总体质量差强人意。“这需要生产技术与装备国产化重大专项的支持。”孙本双说。

“资料显示,我国半导体产品的进口花费超过石油”。2017年度何梁何利基金奖获得者、昆明理工大学副校长杨斌教授说。

质量不稳定、不过关的材料,谁见谁怕。各色终端生产厂家盘算下来还是觉得买国外进口的省事,久而久之,依赖进口成了“瘾”。

在中国,半导体重要原料铟、锡的采选、冶炼水平已处于世界顶尖水平,产量和品级也堪称世界一流。全球近80%的高品质铟、锡来自中国,日企长期购买中国铟锭。

功能性产品:有色金属大国之痛

“但我们缺乏下游功能性产品和足够长的产业链,只能赚取原材料的初级利润,比如高品质、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半导体行业的痛。”杨斌教授说,国内的大尺寸靶材都只在实验室阶段,技术是一个难点,难以实现量产则是关键。

每年我国ITO靶材消耗量超过1千吨,一半左右靠进口,用于生产高端产品。受有色金属期货价格波动和技术封锁等因素叠加作用,长期以来价格高企,成品价格最高达每公斤6千至8千元,占据企业不小的成本。

随着近十年来国内LCD产业的发展和PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,尤其是目前,随着有机发光二极管以及其他显示器件的发展,对ITO靶材制成工艺和设备有了更新、更高的期待。未来一段时间内,这仍是一个有前景的产业。

“资料显示,我国半导体产品的进口花费超过石油”。2017年度何梁何利基金奖获得者、昆明理工大学副校长杨斌教授说。

国内小规模、低层次、做了二十年之久的“靶”,因没能走上世界前沿而长期依赖进口,如今得到了“回报”。近年,由于中国市场巨大,“小靶”国产能力有了大幅上升,这时国外垄断企业“釜底抽薪”,开始在价格上进行打压,一下子把ITO靶材价格降到800元一吨,一度接近价格最高点时的十分之一,国内20多个企业蒙受了巨大的损失,部分企业甚至奄奄待毙。

在中国,半导体重要原料铟、锡的采选、冶炼水平已处于世界顶尖水平,产量和品级也堪称世界一流。全球近80%的高品质铟、锡来自中国,日企长期购买中国铟锭。

“但反过来说,价格低建设成本也低,这也是洗牌的机会。”孙本双说,如果有国家扶持,保留五六家重点企业,同时加快技术攻关,将实验室的技术转化量产,我们有望在大尺寸领域突破,并淘汰一部分国外企业。(科技日报昆明5月17日电)

“但我们缺乏下游功能性产品和足够长的产业链,只能赚取原材料的初级利润,比如高品质、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半导体行业的痛。”杨斌教授说,国内的大尺寸靶材都只在实验室阶段,技术是一个难点,难以实现量产则是关键。

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随着近十年来国内LCD产业的发展和PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,尤其是目前,随着有机发光二极管以及其他显示器件的发展,对ITO靶材制成工艺和设备有了更新、更高的期待。未来一段时间内,这仍是一个有前景的产业。

国内小规模、低层次、做了二十年之久的“靶”,因没能走上世界前沿而长期依赖进口,如今得到了“回报”。近年,由于中国市场巨大,“小靶”国产能力有了大幅上升,这时国外垄断企业“釜底抽薪”,开始在价格上进行打压,一下子把ITO靶材价格降到800元一吨,一度接近价格最高点时的十分之一,国内20多个企业蒙受了巨大的损失,部分企业甚至奄奄待毙。

“但反过来说,价格低建设成本也低,这也是洗牌的机会。”孙本双说,如果有国家扶持,保留五六家重点企业,同时加快技术攻关,将实验室的技术转化量产,我们有望在大尺寸领域突破,并淘汰一部分国外企业。(科技日报昆明5月17日电)

编辑:科学研究 本文来源:江丰电子,烧不出大号靶材

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