单晶硅多晶硅入门知识.doc

1单晶硅单晶硅 中文别名：硅单晶 英文名称：Silicon 分 子 式：Si 分 子 量：28.086 C A S 号：7440-21-3 硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从 19 世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维直到上世纪 60 年代开始，硅材料就取代了原有锗材料硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近 15 年来形成产业化最快的熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势单晶硅圆片按其直径分为 6 英寸、8 英寸、12 英寸（300 毫米）及 18 英寸（450 毫米）等直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。

但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ） 、区熔法（FZ）和外延法直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池目前晶体直径可控制在 Φ3~8 英寸区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品目前晶体直径可控制在 Φ3~6 英寸外延片主要用于集成电路领域由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广在 IC 工业中所用的材料主要是 CZ 抛光片和外延片存储器电路通常使用 CZ 抛光片，因成本较低逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在 IC 制造中有更好的适用性并具有消除 Latch－up 的能力单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过 2000 亿美元的电子通信半导体市场中 95%以上的半导体器件及 99%以上的集成电路用硅多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。

被称为“微电子大厦的基石” 在太阳能利用上，单晶硅和多晶硅也发挥着巨大的作用虽然从目前来讲，要使太阳能发电具有较大的2市场，被广大的消费者接受，就必须提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜） 从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2] 对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50 小时）可生产 200 公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到 50 微米，高度达到 15 微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在 100 平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过 14％。

据报道，目前在 50～60 微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过 16％利用机械刻槽、丝网印刷技术在 100 平方厘米多晶上效率超过 17％，无机械刻槽在同样面积上效率达到16％，采用埋栅结构，机械刻槽在 130 平方厘米的多晶上电池效率达到 15.8％单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高单晶硅电池早在 20 多年前就已突破光电转换效率 20%以上的技术关口 多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破 20%的关口德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电转换率达到 20.3% 从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从 19 世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。

直到上世纪 60 年代开始，硅材料就取代了原有锗材料硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的 现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近 15 年来形成产业化最快的 3熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅 单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势 单晶硅圆片按其直径分为 6 英寸、8 英寸、12 英寸（300 毫米）及 18 英寸（450 毫米）等直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ） 、区熔法（FZ）和外延法直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

目前晶体直径可控制在 Φ3~8 英寸区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品目前晶体直径可控制在 Φ3~6 英寸外延片主要用于集成电路领域 由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广在 IC 工业中所用的材料主要是 CZ 抛光片和外延片存储器电路通常使用 CZ 抛光片，因成本较低逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在 IC 制造中有更好的适用性并具有消除 Latch－up 的能力 单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过 2000 亿美元的电子通信半导体市场中 95%以上的半导体器件及 99%以上的集成电路用硅 《单晶硅市场调研报告》对单晶硅的生产工艺，生产现状，应用领域，消费结构，消费现状，消费需求，市场价格，进出口，项目投资等多方面多角度阐述单晶硅市场状况，并在此基础上对未来市场需求和市场前景定性和定量的分析和预测单晶硅的物理特性单晶硅的物理特性熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶4粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性超纯的单晶硅是本征半导体在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA 族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p 型硅半导体；如掺入微量的ⅤA 族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成 n 型硅半导体单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅单晶硅主要用于制作半导体元件硅是集成电路产业的基础，半导体材料中 98％是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔） 、外延片和非晶硅等，其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等单晶硅和多晶硅应用最广单晶硅 单晶硅主要有直拉和区熔 区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃 各项参数可按客户要求生产 多晶硅 区熔用多晶硅：可生产直径 Φ40mm－Φ70mm直径公差(Tolerance)≤10%，施主水平＞300Ω.㎝，受主水平＞3000Ω.㎝，碳含量＜2×1016at/㎝3 各项参数可按客户要求生产。

高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料，硅纯度要求 99.999％单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒 单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料在日常生活里，单晶硅可以说无处不在，电视、电脑、冰箱、、汽车等等，处处离不开单晶硅材料；在高科技领域，航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的制造，单晶硅同样是必不可少的原材料 在科学技术飞速发展的今天，利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈5向绿色能源革命的开始现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能单晶硅的利用将普及到全世界范围，市场需求量不言而喻 直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等 区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃 直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃。

硅单晶被称为现代信息社会的基石硅单晶按照制备工艺的不同可分为直拉（CZ）单晶硅和区熔（FZ）单晶硅，直拉单晶硅被广泛应用于微电子领域，微电子技术的飞速发展，使人类社会进入了信息化时代，被称为硅片引起的第一次革命区熔单晶硅是利用悬浮区熔技术制备的单晶硅它的用途主要包括以下几个方面 1、制作电力电子器件 电力电子技术是实现电力管理，提高电功效率的关键技术飞速发展的电力电子被称为“硅片引起的第二次革命” ，大多数电力电子器件是用区熔单晶硅制作的电力电子器件包括普通晶闸管(SCR)、电力晶体管 GTR、GTO 以及第三代新型电力电子器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等，广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中制作电力电子器件，是区熔单晶硅的传统市场，也是本项目产品的市场基础 2、制作高效率太阳能光伏电池 太阳能目前已经成为最受关注的绿色能源产业美国、欧洲、日本都制定了大力促进本国太阳能产业发展的政策，我国也于 2005 年 3 月份通过了《可再生能源法》 。

这些措施极大地促进了太阳能电池产业的发展据统计，从 1998—2004 年，国际太阳能光伏电池的市场一直保持高速增长的态势，年平均增长速度达到 30%，预计到 2010 年，仍将保持至少 25%的增长速度 晶体硅是目前应用最成熟，最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的 85%以上美国 SunPower 公司最近开发出利用区熔硅制作太阳能电池技术，其产业化规模光电转换效率达到 20%，为目前产业化最高水平，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为 15%）。