單晶矽片：矽的單晶體，是一種具有基本完整的點陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達到99.9999%，甚至達到99.9999999%以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶矽在單晶爐內(nèi)拉制而成。

基本介紹

中文名 ：單晶矽片 外文名 ：Monocrystalline silicon chip 類型 ：矽的單晶體 功能 ：良好的半導(dǎo)材料 用于 ：制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池 化學(xué)式 ：Si 基本概念,結(jié)構(gòu),用途,市場前景,發(fā)展趨勢,大直徑化趨勢明顯,國際化，集團化,工業(yè)發(fā)展方向,制造技術(shù)升級,相關(guān)區(qū)別,單晶矽和多晶矽的區(qū)別,單晶矽,多晶矽及非晶矽太陽能電池的區(qū)別,加工工藝, 基本概念 單晶矽是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展的前沿。其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。由于太陽能具有清潔、環(huán)保、方便等諸多優(yōu)勢，近三十年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。 單晶矽可以用于二極體級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產(chǎn)品的生產(chǎn)和深加工制造，其后續(xù)產(chǎn)品積體電路和半導(dǎo)體分離器件已廣泛套用于各個領(lǐng)域，在軍事電子設(shè)備中也占有重要地位。 在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用矽單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。北京2008年奧運會將把綠色奧運做為重要展示面向全世界展現(xiàn)，單晶矽的利用在其中將是非常重要的一環(huán)。現(xiàn)在，國外的太陽能光伏電站已經(jīng)到了理論成熟階段，正在向?qū)嶋H套用階段過渡，太陽能矽單晶的利用將是普及到全世界范圍，市場需求量不言而喻。 結(jié)構(gòu) 熔融的單質(zhì)矽在凝固時矽原子以金剛石晶格排列成三維空間長程有序的形式成為單晶矽。 單晶矽具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶矽是本征半導(dǎo)體。在超純單晶矽中摻入微量的ⅢA 族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型矽半導(dǎo)體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型矽半導(dǎo)體。 單晶矽的制法通常是先制得多晶矽或無定形矽，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。單晶矽主要用于制作半導(dǎo)體元件。 矽 結(jié)晶型的矽是暗黑藍色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體。化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 用途 單晶矽片主要用于制作半導(dǎo)體元件。 單晶矽片太陽能組件 用途： 是制造半導(dǎo)體矽器件的原料，用于制大功率整流器、大功率電晶體、二極體、開關(guān)器件等 現(xiàn)在，我們的生活中處處可見“矽”的身影和作用，晶體矽太陽能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。 熔融的單質(zhì)矽在凝固時矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合沒逗叢起來便結(jié)晶成單晶矽。 單晶矽片的制法通常是先制得多晶矽或無定形矽，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。 單晶矽棒是生產(chǎn)單晶矽片的原材料，隨著國內(nèi)和國際市場對單晶矽片需求量的快速增加，單晶矽棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。 單晶矽棒 單晶矽圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的積體電路越多，晶片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術(shù)的要求也越高。單晶矽按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長單晶矽棒材，外延法生長單晶矽薄膜。直拉法生長的單晶矽主要用于半導(dǎo)體積體電路枯櫻、二極體、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節(jié)能燈、電視機等系列產(chǎn)品，目前直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于積體電路領(lǐng)域。 單晶矽圓片 市場前景 近年來，中國單晶矽產(chǎn)量明顯穩(wěn)步增長，增長的原因是一方面來自國際上對低檔和廉價矽材料需求的增加。另一方面是近年來中國裝備制造發(fā)展迅速，各類信息家電和通信指耐產(chǎn)品需求旺盛，因此半導(dǎo)體器件和矽材料的市場需求量都很大。 2007年，中國市場上有各類矽單晶生長設(shè)備1500余臺，分布在70余家生產(chǎn)企業(yè)。2007年5月24日，國家“863”計畫超大規(guī)模積體電路（IC）配套材料重大專項總體組在北京組織專家對西安理工大學(xué)和北京有色金屬研究總院承擔(dān)的“TDR-150型單晶爐（12英寸MCZ綜合系統(tǒng)）”完成了驗收。這標(biāo)志著擁有自主智慧財產(chǎn)權(quán)的大尺寸積體電路與太陽能用矽單晶生長設(shè)備，在我國首次研制成功。這項產(chǎn)品使中國能夠開發(fā)具有自主智慧財產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵制造技術(shù)與單晶爐生產(chǎn)設(shè)備，填補了國內(nèi)空白，初步改變了在晶體生長設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)制造受制于人的局面。 矽材料市場前景廣闊，中國矽單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的矽片生產(chǎn)已成為國際公認的事實，為世界和中國積體電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻。 發(fā)展趨勢 矽片直徑越大，技術(shù)要求越高，越有市場前景，價值也就越高。日本、美國和德國是主要的矽材料生產(chǎn)國。國矽材料工業(yè)與日本同時起步，但總體而言，生產(chǎn)技術(shù)水平仍然相對較低，而且大部分為2.5、3、4、5英寸矽錠和小直徑矽片。國消耗的大部分積體電路及其矽片仍然依賴進口。但我國科技人員正迎頭趕上，于1998年成功地制造出了12英寸單晶矽，標(biāo)志著我國單晶矽生產(chǎn)進入了新的發(fā)展時期。目前，全世界單晶矽的產(chǎn)能為1萬噸/年，年消耗量約為6000噸～7000噸。未來幾年，世界單晶矽材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢： 大直徑化趨勢明顯 隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對矽片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細加工的大直徑矽片在市場的需求比例將日益加大。目前，矽片主流產(chǎn)品是200mm，逐漸向300mm過渡，研制水平達到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計，200mm矽片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。Gartner發(fā)布的對矽片需求的5年預(yù)測表明，全球300mm矽片將從2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韓等國家都已經(jīng)在1999年開始逐步擴大300mm矽片產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球目前已建、在建和計畫建的300mm矽器件生產(chǎn)線約有40余條，主要分布在美國和我國臺灣等，僅我國臺灣就有20多條生產(chǎn)線，其次是日、韓、新及歐洲。%P 世界半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會（SEMI）的調(diào)查顯示，2004年和2005年，在所有的矽片生產(chǎn)設(shè)備，投資在300mm生產(chǎn)線上的比例將分別為55%和62%，投資額也分別達到130.3億美元和184.1億美元，發(fā)展十分迅猛。而在1996年時，這一比重還僅僅是零。 國際化，集團化 研發(fā)及建廠成本的日漸增高，加上現(xiàn)有行銷與品牌的優(yōu)勢，使得矽材料產(chǎn)業(yè)形成“大者恒大”的局面，少數(shù)集約化的大型集團公司壟斷材料市場。上世紀(jì)90年代末，日本、德國和韓國（主要是日、德兩國）資本控制的8大矽片公司的銷量占世界矽片銷量的90%以上。根據(jù)SEMI提供的2002年世界矽材料生產(chǎn)商的市場份額顯示，Shisu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市場總額的比重達到89%，壟斷地位已經(jīng)形成。 工業(yè)發(fā)展方向 隨著光電子和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，矽基材料成為矽材料工業(yè)發(fā)展的重要方向。矽基材料是在常規(guī)矽材料上制作的，是常規(guī)矽材料的發(fā)展和延續(xù)，其器件工藝與矽工藝相容。主要的矽基材料包括SOI（絕緣體上矽）、GeSi和應(yīng)力矽。目前SOI技術(shù)已開始在世界上被廣泛使用，SOI材料約占整個半導(dǎo)體材料市場的30%左右，預(yù)計到2010年將占到50%左右的市場。Soitec公司（世界最大的SOI生產(chǎn)商）的2000年～2010年SOI市場預(yù)測以及2005年各尺寸SOI矽片比重預(yù)測了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。 制造技術(shù)升級 半導(dǎo)體,晶片,積體電路,設(shè)計,版圖,晶片,制造,工藝目前世界普遍采用先進的切、磨、拋和潔凈封裝工藝，使制片技術(shù)取得明顯進展。在日本，Φ200mm矽片已有50%采用線切割機進行切片，不但能提高矽片質(zhì)量，而且可使切割損失減少10%。日本大型半導(dǎo)體廠家已經(jīng)向300mm矽片轉(zhuǎn)型，并向0.13μm以下的微細化發(fā)展。另外，最新尖端技術(shù)的導(dǎo)入，SOI等高功能晶片的試制開發(fā)也進入批量生產(chǎn)階段。對此，矽片生產(chǎn)廠家也增加了對300mm矽片的設(shè)備投資，針對設(shè)計規(guī)則的進一步微細化，還開發(fā)了高平坦度矽片和無缺陷矽片等，并對設(shè)備進行了改進。 矽是地殼賦存最高的固態(tài)元素，其含量為地殼的四分之一，但在自然界不存在單體矽，多呈氧化物或矽酸鹽狀態(tài)。矽的原子價主要為4價，其次為2價；在常溫下它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于單一的強酸，易溶于堿；在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，能與許多元素化合。 矽材料資源豐富，又是無毒的單質(zhì)半導(dǎo)體材料，較易制作大直徑無位錯低微缺陷單晶。晶體力學(xué)性能優(yōu)越，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍將成為半導(dǎo)體的主體材料。 相關(guān)區(qū)別 單晶矽和多晶矽的區(qū)別 單晶矽和多晶矽的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)矽凝固時,矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。多晶矽與單晶矽的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶矽均不如單晶矽。多晶矽可作為拉制單晶矽的原料。單晶矽可算得上是世界上最純凈的物質(zhì)了，一般的半導(dǎo)體器件要求矽的純度六個9以上。大規(guī)模積體電路的要求更高，矽的純度必須達到九個9。人們已經(jīng)能制造出純度為十二個9的單晶矽。單晶矽是電子計算機、自動控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。 高純度矽在石英中提取，以單晶矽為例，提煉要經(jīng)過以下過程：石英砂一冶金級矽一提純和精煉一沉積多晶矽錠一單晶矽一矽片切割。 冶金級矽的提煉并不難。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。這樣被還原出來的矽的純度約98-99%，但半導(dǎo)體工業(yè)用矽還必須進行高度提純(電子級多晶矽純度要求11個9，太陽能電池級只要求6個9)。而在提純過程中，有一項“三氯氫矽還原法(西門子法)”的關(guān)鍵技術(shù)我國還沒有掌握，由于沒有這項技術(shù)，我國在提煉過程中70%以上的多晶矽都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環(huán)境污染非常嚴重。我國每年都從石英石中提取大量的工業(yè)矽，以1美元/公斤的價格出口到德國、美國和日本等國，而這些國家把工業(yè)矽加工成高純度的晶體矽材料，以46-80美元/公斤的價格賣給我國的太陽能企業(yè)。 得到高純度的多晶矽后，還要在單晶爐中熔煉成單晶矽，以后切片后供積體電路制造等用。 單晶矽,多晶矽及非晶矽太陽能電池的區(qū)別 單晶矽太陽電池： 單晶矽太陽電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于宇宙空間和地面設(shè)施。這種太陽電池以高純的單晶矽棒為原料，純度要求99.999%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面套用的太陽電池等采用太陽能級的單晶矽棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶矽材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽電池專用的單晶矽棒。將單晶矽棒切成片，一般片厚約0.3毫米。矽片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料矽片。加工太陽電池片，首先要在矽片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在矽片上形成P/FONT>N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂復(fù)減反射源，以防大量的光子被光滑的矽片表面反射掉，至此，單晶矽太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流，最后用框架和封裝材料進行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣，亦稱太陽電池陣列。目前單晶矽太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。用于宇宙空間站的還有高達50%以上的太陽能電池板 。 多晶矽太陽電池： 單晶矽太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純矽材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶矽棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶矽太陽電池的研制。目前太陽電池使用的多晶矽材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶矽料和冶金級矽材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100～300歐姆?厘米的多晶塊料或單晶矽頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶矽料，加人適量硼矽，放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應(yīng)保溫約20分鐘，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶矽錠。這種矽錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。多晶矽太陽電池的制作工藝與單晶矽太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶矽太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術(shù)得提高，目前多晶矽的轉(zhuǎn)換效率也可以達到14%左右 。 非晶矽太陽電池： 非晶矽太陽電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶矽和多晶矽太陽電池的制作方法完全不同，矽材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。制造非晶矽太陽電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應(yīng)濺射法、化學(xué)氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解矽烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空，充入氫氣或氬氣稀釋的矽烷，用射頻電源加熱，使矽烷電離，形成電漿。非晶矽膜就沉積在被加熱的襯底上。若矽烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼，即可得到N型或P型的非晶矽膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。這種制備非晶矽薄膜的工藝，主要取決于嚴格控制氣壓、流速和射頻功率，對襯底的溫度也很重要。非晶矽太陽電池的結(jié)構(gòu)有各種不同，其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PiN電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶矽，再沉積一層未摻雜的i層，然后再沉積一層摻硼的P型非晶矽，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。此種制作工藝，可以采用一連串沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程式，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時，非晶矽太陽電池很薄，可以制成疊層式，或采用積體電路的方法制造，在一個平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に嚕淮沃谱鞫鄠€串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。因為普通晶體矽太陽電池單個只有0.5伏左右的電壓，現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶矽串聯(lián)太陽電池可達2.4伏。目前非晶矽太陽電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國際先進水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象，所以尚未大量用于作大型太陽能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復(fù)印機等方面。估計效率衰降問題克服后，非晶矽太陽電池將促進太陽能利用的大發(fā)展，因為它成本低，重量輕，套用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨立電源。 在猛烈陽光下，單晶體式太陽能電池板較非晶體式能夠轉(zhuǎn)化多一倍以上的太陽能為電能，但可惜單晶體式的價格比非晶體式的昂貴兩三倍以上，而且在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽能。 加工工藝 加料―→熔化―→縮頸生長―→放肩生長―→等徑生長―→尾部生長 （1）加料：將多晶矽原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷。 （2）熔化：加完多晶矽原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶矽原料熔化。 （3）縮頸生長：當(dāng)矽熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入矽熔體中。由于籽晶與矽熔體場接觸時的熱應(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4－6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯的晶體。 （4）放肩生長：長完細頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 （5）等徑生長：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶矽片取自于等徑部分。 （6）尾部生長：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。

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