单晶硅与多晶硅

研究趋势
日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。中国硅材料 工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较 低，而且大部分为2.5．3．4．5英寸硅锭和小直径硅片。中国 消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。但我国科技人 员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅，标志 着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。目前，全世界单晶硅 的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。 未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势： 微型化 ；国际化、集团化、集中化 ；硅基材料；硅片制造 技术进一步升级。
主要用途
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%。
发展现状
单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量 达25.8%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。 近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材 料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信 息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为一种极具 潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。 与此同时，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上 许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略 的重要内容。 在跨入21世纪门槛后，世界大多数国家踊跃参与以至在全球范围掀起了 太阳能开发利用的“绿色能源热”，一个广泛的大规模的利用太阳能的 时代正在来临，太阳能级单晶硅产品也将因此受世人瞩目。 此外，包括我国在内的各国政府也出台了一系列“阳光产业”的 优惠政策，给予相关行业重点扶持，单晶硅产业呈现出美好的发展前景。
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Φ 3~8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Φ 3~6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。
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目
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基本概念 具体介绍 主要用途 发展现状 研究趋势
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基本概念
多晶硅，是单质硅 的一种形态。熔融的 单质硅在过冷条件下 凝固时，硅原子以金 刚石晶格形态排列成 许多晶核，如这些晶 核长成晶面取向不同 的晶粒，则这些晶粒 结合起来，就结晶成 多晶硅。
Байду номын сангаас
具体介绍
灰色金属光泽。密度2.32~2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于 氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英 之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性， 1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。 高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。 具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可 大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、 电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。由干燥硅粉与干 燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。 多晶硅 可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表 现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向 异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电 性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面， 两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴 别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。
2．国际化，集团化，集中化 研发及建厂成本的日渐增高，加上现有行销与品牌的优势，使得硅材 料产业形成“大者恒大”的局面，少数集约化的大型集团公司垄断材料市 场。上世纪90年代末，日本、德国和韩国（主要是日、德两国）资本控制 的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。根据SEMI提供的2002年 世界硅材料生产商的市场份额显示，Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、 Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%，垄断地位已经形成。 3．硅基材料 随着光电子和通信产业的发展，硅基材料成为硅材料工业发展的重要 方向。硅基材料是在常规硅材料上制作的，是常规硅材料的发展和延续， 其器件工艺与硅工艺相容。主要的硅基材料包括SOI（绝缘体上硅）、 GeSi和应力硅。目前SOI技术已开始在世界上被广泛使用，SOI材料约占整 个半导体材料市场的30%左右，预计到2010年将占到50%左右的市场。 Soitec公司（世界最大的SOI生产商）的2000年～2010年SOI市场预测以及 2005年各尺寸SOI硅片比重预测了产业的发展前景。
具体介绍
单晶硅是一种比较活泼的非金属元素， 是晶体材料的重要组成部分，处于新材料 发展的前沿。其主要用途是用作半导体材 料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于 太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势， 近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、 商业化生产、市场开拓方面都获得了长足 发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产 业之一。 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。
单晶硅和多晶硅的
现状及发展
硅
单晶 硅
多晶 硅
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基本概念 具体介绍 主要用途 发展现状 研究趋势
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基本概念
中文别名：硅单晶 英文名： Monocrystalline silicon 分子式： Si 分子量：28.086 CAS号：7440-21-3 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的 重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用 作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳 能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳 能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获 得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
主要用途
单晶硅主要用于制作半导体元件。 用途：单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽， 能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导 体性质。单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第 ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型， N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转 变为电能。 单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、 大功率晶体管、二极管、开关器件等。在开发能源方面是一种很 有前途的材料。
1.微型化 随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高 的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益 加大。目前，硅片主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，研制水 平达到400mm～450mm。据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右， 150mm占20%左右，其余占20%左右。Gartner发布的对硅片需求的5 年预测表明，全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的 21.1%。日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅 片产量。据不完全统计，全球目前已建、在建和计划建的300mm硅 器件生产线约有40余条，主要分布在美国和我国台湾等，仅我国 台湾就有20多条生产线，其次是日、韩、新及欧洲 。 世界半导体设备及材料协会（SEMI）的调查显示，2004年和 2005年，在所有的硅片生产设备中，投资在300mm生产线上的比例 将分别为55%和62%，投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美 元，发展十分迅猛。而在1996年时，这一比重还仅仅是零。
4．硅片制造技术进一步升级 半导体,芯片集成电路,设计版图,芯片制造,工艺目前世界普遍采用先进 的切、磨、抛和洁净封装工艺，使制片技术取得明显进展。在日本，Φ 200mm 硅片已有50%采用线切割机进行切片，不但能提高硅片质量，而且可使切割损 失减少10%。日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型，并向0.13μ m以下的 微细化发展。另外，最新尖端技术的导入，SOI等高功能晶片的试制开发也进 入批量生产阶段。对此，硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资，针 对设计规则的进一步微细化，还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等，并对 设备进行了改进。 硅是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自 然界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。硅的原子价主要为4价，其次 为2价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温 下化学性质活泼，能与许多元素化合。 硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无 位错低微缺陷单晶。晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体 的主体材料。
发展现状
当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有 率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶 硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中， 形成技术封锁、市场垄断的状况。 多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级 和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55%左右，太阳能级多晶硅占45%，随着 光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的 发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。 1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在 短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过 核电成为最重要的基础能源之一。 据悉，美国能源部计划到2010年累计安装容量4600MW，日本计划2010年达 到5000MW，欧盟计划达到6900MW，预计2010年世界累计安装量至少18000MW。 从上述的推测分析，至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30000吨以上，表2给出 了世界太阳能多晶硅工序的预测。据国外资料分析报道，世界多晶硅的产量2005年 为28750吨，其中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨，半导体级需求量约为 19000吨，略有过剩；太阳能级的需求量为15000吨，供不应求，从2006年开始太 阳能级和半导体级多晶硅需求的均有缺口，其中太阳能级产能缺口更大。