多晶硅的用途与生产工艺简介

多晶硅产品的用途与生产工艺简介黎展荣编写2008-03-15多晶硅产品的用途与生产工艺简介讲课提纲：一、多晶硅产品的用途二、国内外多晶硅生产情况与市场分析三、多晶硅生产方法四、多晶硅生产的主要特点五、多晶硅生产的主要工艺过程讲课想要达到的目的：通过介绍，希望达到以下几点目的：1，了解半导体多晶硅有关基本概念与有关名词，为今后进一步学习、交流与提高打下基础；2，了解多晶硅的主要用途与国内外多晶硅的生产和市场情况，热爱多晶硅事业与行业；3，了解多晶硅生产方法和多晶硅生产的主要特点，加深对多晶硅生产工艺流程的初步认识；4，了解公司3000吨/年多晶硅项目的主要工艺过程、工厂的概况、规模、车间工序的相互关联，有利于今后工作的开展。

一、多晶硅产品的用途在讲多晶硅的用途前，我们先讲一讲半导体多晶硅的有关概念和有关名词。

1，什么是多晶硅？我们所说的多晶硅是半导体级多晶硅，或太阳能级多晶硅，它主要是用工业硅或称冶金硅（纯度98-99%）经氯化合成生产硅氯化物，将硅氯化物精制提纯后得到纯三氯氢硅，再将三氯氢硅用氢进行还原生成有金属光泽的、银灰色的、具有半导体特性产品，称为半导体级多晶硅。

2，什么是半导体？所谓半导体是界于导体与绝缘体性质之间的一类物质，导体、半导体与绝缘体的大概分别是以电阻率来划分的，见表1。

3，纯度表示法半导体的纯度表示与一般产品的纯度表示是不一样的，一般产品的纯度是以主体物质的含量多少来表示，半导体的纯度是以杂质含量与主体物质含量之比来表示的。

见表2。

表2 纯度表示法外购的工业硅纯度是百分比，1个九，“1N”，98%，两个九，“2N”，99%，是指扣除测定的杂质元素重量后，其余作为硅的含量（纯度）。

如工业硅中Fe≤0.4%,AL≤0.3%,Ca≤0.3%,共≤1%, 则工业硅的纯度是：（100-1）X100%=99% 。

2),半导体纯度工业硅中的B含量是0.002%(W)，则工业硅纯度对硼来说被视为99.998%，即4N（对B来说）。

半导体硅中的B含量，如P型电阻率是3000Ω.Cm时，查曲线图得B的原子数为4.3X1012原子/Cm3，则半导体的纯度是：4.3X1012 /4.99X1022=0.86X10-10=8.6X10-11(~11N，0.086PPba),或(4.3X1012 X10.81) /(4.99X1022X28)=0.33X10-10=0.033PPbw=3.3X10-11(~11N)。

对B来说，从工业硅的4N提高到11N，纯度提高7个数量级（，千万倍）即B杂质含量要降低6个数量级（1000000，百万倍），因此生产半导体级多晶硅是比较困难的。

3),集成电路的元件数集成电路的元件数的比较，列于表3。

集成电路的集成度越高，则对硅材料纯度的要求越高。

表3 集成电路的元件数比较据报导：日本在6.1X5.8 mm的硅芯片上制出的VLSI有15万6千多个元件4),硅片（单晶硅）发展迅速硅片（单晶硅）发展迅速，见表4。

大规模生产中多晶硅直径一般公认为是120-150 mm比较合适，也研发过200-250 mm。

5),多晶硅、单晶硅、硅片与硅外延片多晶硅：内部硅原子的排列是不规则的杂乱无章的。

单晶硅：内部硅原子的排列是有规则的（生产用原料是多晶硅）。

硅片：单晶硅经滚磨、定向后切成硅片，分磨片与抛光片。

硅外延片：抛光片经清洗处理后用CVD方法在其上再生长一层具有需求电阻率的单晶硅层，目前超大规模集成电路正趋向于采用硅外延片来生产。

4, 多晶硅产品的用途半导体多晶硅本身用途并不大，必须要将多晶硅培育成单晶硅，经切、磨、抛制成硅片（又称硅圆片），在硅片上制成电子元件（分立元件、太阳能能基片、集成电路或超大规模集成电路），才能有用。

硅由于它的一些良好的半导体性能和丰富的原料，自1953年硅作为整流二极管元件问世以来，随着工艺技术的改革，硅的纯度不断的提高，目前已发展成为电子工业中应用最广泛的一种半导体材料，有关硅的基础理论也发展得较为完善。

起初由于制造硅材料的技术问题，半导体多晶硅纯度不高，只能作晶体检波器(矿石收音机,相当于二极管).随着材料制造工艺技术的不断改进与完善，材料纯度不断提高，制造成功各种半导体器件，从晶体管、整流元件、太阳能电池片到集成电路到大规模集成电路和超大规模集成电路，才使硅材料得到广泛的用途。

半导体多晶硅是单晶硅的关键原材料，多晶硅培育成单晶硅的方法是：有坩埚（CZ）与无坩埚（FZ），即直拉与区熔之分。

制成单晶硅后通过切、磨、抛工序制成硅片，在硅片上进行半导体器件的制造，（通过扩散、光刻、掺杂、离子注入------等许多工序）即集成电路（管芯或称为芯片、基片）。

由于大规模集成电路和超大规模集成电路技术的突破，半导体器件得到飞速发展，在各行各业得到广泛的应用。

所有这些应用都是在有半导体多晶硅材料的基础上才能实现的。

——在军事工业上：海湾战争、伊拉克战争的电子战都是用了大量的电子装备，探测器、导弹制导，火箭发射，电子控制设备，军事装备等；——在航天工业上：航天飞机，宇宙飞船（神1~神6）人造卫星，气象卫星，星球探测（登月与登火星）等；——在航空上：机场监控，飞机全天候监控，空军装备等；——在航海上：核潜艇，航空母舰，海上巡逻，海上运输，南北极探险等；——在信息技术上：通信技术（手机电话），广播电视，电子商务，电子购物，银行管理，电子眼监控，电脑网络，——在科学技术、工业技术，交通运输、铁路运输、能源工业、汽车工业、卫生医药等；——还有在人们生活中，家用电器，工资卡等都与电子打交道，所谓“无所不在，无所不有，到处可见”。

这都是得益于半导体多晶硅的基础材料。

当今，在人们的日常生活上、文化娱乐上得到充分的改善与享受，都离不开半导体材料与器件。

因此我们从事的半导体多晶硅材料的生产与研发，对我们国家的经济建设、国防建设、工业建设、生活改善都是很重要的事业，希望大家热爱多晶硅行业，钻研多晶硅行业，发展多晶硅行业，为国家的经济发展，国防发展，社会发展，人民生活的提高与改善作出应有的贡献。

二、国内外多晶硅生产情况与市场分析1，国外多晶硅生产情况国外多晶硅生产，主要集中在美、日、德、意四国的十大公司，多晶硅的生产量占世界的90%以上，见表5。

半导体多晶硅的生产是一个跨化工、冶金、机械、电子与自动控制多学科综合技术集成一体的系统工程。

目前国外有报导已发展到高效率低能耗48-50对棒的还原炉。

2，国内多晶硅生产情况1）目前国内能生产多晶硅的厂家只有五家：（1）739厂（200t/a），（2）洛阳中硅(300+700t/a)，（3）新光硅业1000 t/a，（4）江苏中能1500 t/a t/a，（5）无锡金大中200 t/a。

2）据报导在建与筹建的有20多家（见附件）{（1）新津天威四川硅业(3000t/a)，（2）乐电天威硅业3000t/a,）、（3）中德合资江西新时代高新能源公司（1000-3000 t/a）2005年4月开建，计划2008年投产，（4）云南曲靖爱信硅科技公司(一期投资25亿元，建多晶硅生产线3000 t/a ，三年后建成10000t/a)，2006年4月7日开工（奠基）。

（5）宁夏石嘴山投资70亿元，建设世界级硅基地，多晶硅计划建成5000 t/a的规模，（6）辽宁凌海多晶硅之城(1000t/a)，（7）扬州太阳能产业基地3000 t/a多晶硅分两期建设，一期投资12亿元07年上半年投产，二期08年上半年建成，（8）江苏高邮（江苏顺大半导体发展有限公司领头）投资25亿元分两期到位，07年6月投产一条线1500 t/a，08年初再上一条生产线，生产能力达3000 t/a。

}多晶硅国内计划建设项目2008-2-10563，多晶硅市场需求分析1），世界半导体市场上在持续增长，因此带动了硅片和多晶硅的迅速发展，见表6。

2000-2005年我国多晶硅市场需求也十分旺盛，多晶硅供需矛盾突出，表8。

地带动了多晶硅产业的发展。

由此可见，我国多晶硅尚存在大量的缺口，急需大力推进多晶硅规模化生产，建立多个年产1000-3000 t级规模化的多晶硅工厂，才能满足我国集成电路和太阳能电池生产对多晶硅的需求。

[注]：生产1MW的太阳能电池需用12-14吨多晶硅。

图一2002－2010年全球及中国太阳能级多晶硅需求量统计及预测我国多晶硅2006年总产量仅480吨，国内市场的需求超过4000吨，其中太阳能产业需求接近3000吨，因此绝大部分多晶硅必须依赖进口。

硅原料供给不足和成本过高已成为制约我国光伏产业发展的瓶颈。

世界光伏电池产量快速增长，全球太阳能电池产业在1995－2005年增长了17倍。

2005年世界太阳能电池产量达到了1650兆瓦，累计装机发电容量已超过5GW。

日本光伏电池产量再次领先增长到762兆瓦，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到了464兆瓦；美国增加12%，达到了156兆瓦；世界其他地区增加96%，达到了274兆瓦。

图二2005-2010年全球太阳能电池产量统计与预测按照从硅料（多晶硅材料）到太阳能电池的产业划分，太阳能光伏发电的产业结构呈现明显的金字塔结构（最上游小，最下游大）。

图三太阳能光伏发电金字塔产业结构产业链最上游是7家太阳能多晶硅（Silicon ）厂商：Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi和Sumitomo，他们对全球的多晶硅供应造成了严重的垄断，全球7大多晶硅企业的总产量占到全球太阳能多晶硅总产量的95%以上。

由于技术门槛，几乎没有企业可以很快进入多晶硅生产制造领域，而且产能也远不是全球7巨头的对手。

第二层是22家硅片(Wafer)厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等投资规模亦相对较大，设备投资约占初期总投资的60%以上；中国保定天威英利是这个领域的中国代表，具备生产单晶硅片的制造能力。

技术难度仅次于多晶硅的制造难度。

第三层是太阳能电池（Cell）制造，全球电池厂商有40余家；中国的代表企业是无锡尚德和天威英利，产能产量都属于全球主流的太阳能电池制造商。

最下面是组件，将制作好的电池封装，技术含量相对较低，进入门槛亦低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过200 家，国内也有相当多企业进行封装作业。

近年，上游硅片制造工厂、下游的电池片及电池组件公司都在扩大产能。

2007年、2008年将是这些企业的黄金扩产年。

生产太阳能全线产品的德国太阳能巨头SolarWorld在2006年12月底宣布，将大幅扩产其硅片领域的产能，预计在未来的28个月时间内，产能将由现阶段的250兆瓦增至500兆瓦。