基本介紹
- 中文名：單晶矽
- 外文名：Monocrystallinesilicon
- 化學式： Si
- 分子量：28.086
- CAS登錄號：7440-21-3
基本概念,具體介紹,發展現狀,半導體,物理特性,主要用途,研究趨勢,概述,微型化,國際化，集團化,矽基材料,製造技術升級,加工工藝,市場發展,相關區別,單晶矽製備與仿真,
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，處於新材料發展的前沿。其主要用途是用作半導體材料和利用太陽能光伏發電、供熱等。由於太陽能具有清潔、環保、方便等諸多優勢，近三十年來，太陽能利用技術在研究開發、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展，成為世界快速、穩定發展的新興產業之一。
單晶矽可以用於二極體級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產品的生產和深加工製造，其後續產品積體電路和半導體分離器件已廣泛套用於各個領域，在軍事電子設備中也占有重要地位。
在光伏技術和微小型半導體逆變器技術飛速發展的今天，利用矽單晶所生產的太陽能電池可以直接把太陽能轉化為光能，實現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，單晶矽的利用在其中將是非常重要的一環。現在，國外的太陽能光伏電站已經到了理論成熟階段，正在向實際套用階段過渡，太陽能矽單晶的利用將是普及到全世界範圍，市場需求量不言而喻。
具體介紹
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年來形成產業化最快的。
單晶矽，英文，Monocrystallinesilicon。是矽的單晶體。具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999%，甚至達到99.9999999%以上。用於製造半導體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶矽在單晶爐內拉制而成。
用途：單晶矽具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導電，但導電率不及金屬，且隨著溫度升高而增加，具有半導體性質。單晶矽是重要的半導體材料。在單晶矽中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型半導體，摻入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半導體結合在一起，就可做成太陽能電池，將輻射能轉變為電能。
單晶矽是製造半導體矽器件的原料，用於制大功率整流器、大功率電晶體、二極體、開關器件等。在開發能源方面是一種很有前途的材料。
單晶矽按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區熔法（FZ）和外延法。直拉法、區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於半導體積體電路、二極體、外延片襯底、太陽能電池。
發展現狀
在跨入21世紀門檻後，世界大多數國家踴躍參與以至在全球範圍掀起了太陽能開發利用的“綠色能源熱”，各國相繼研發太陽能光伏系統，把太陽能發電終端，所產生的電能輸送到電網，用電網使用。一個廣泛的大規模的利用太陽能的時代正在來臨，太陽能級單晶矽產品也將因此受世人矚目。
半導體
非晶矽是一種直接能帶半導體，它的結構內部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的矽原子成鍵的電子，這些電子在電場作用下就可以產生電流，並不需要聲子的幫助，因而非晶矽可以做得很薄，還有製作成本低的優點．
物理特性
矽是地球上儲藏最豐富的材料之一，從19世紀科學家們發現了晶體矽的半導體特性後，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。直到上世紀60年代開始，矽材料就取代了原有鍺材料。矽材料――因其具有耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜製作大功率器件的特性而成為套用最多的一種半導體材料，積體電路半導體器件大多數是用矽材料製造的。
熔融的單質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，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶矽。單晶矽具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性。超純的單晶矽是本徵半導體。在超純單晶矽中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成p型矽半導體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成n型矽半導體。
單晶矽
單晶矽主要用途
單晶矽主要用於製作半導體元件。
熔融的單質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，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶矽。
單晶矽的製法通常是先製得多晶矽或無定形矽，然後用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。
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的要求也越高。單晶矽按晶體伸長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區熔法（FZ）和外延法。直拉法、區熔法伸長單晶矽棒材，外延法伸長單晶矽薄膜。直拉法伸長的單晶矽主要用於半導體積體電路、二極體、外延片襯底、太陽能電池。晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區熔法單晶主要用於高壓大功率可控整流器件領域，廣泛用於大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節能燈、電視機等系列產品。晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用於積體電路領域。
由於成本和性能的原因，直拉法（CZ）單晶矽材料套用最廣。在IC工業中所用的材料主要是CZ拋光片和外延片。存儲器電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路一般使用價格較高的外延片，因其在IC製造中有更好的適用性並具有消除Latch－up的能力。
矽片直徑越大，技術要求越高，越有市場前景，價值也就越高。
研究趨勢
概述
日本、美國和德國是主要的矽材料生產國。中國矽材料工業與日本同時起步，但總體而言，生產技術水平仍然相對較低，而且大部分為2.5．3．4．5英寸矽錠和小直徑矽片。中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，於1998年成功地製造出了12英寸單晶矽，標誌著我國單晶矽生產進入了新的發展時期。全世界單晶矽的產能為1萬噸/年，年消耗量約為6000噸～7000噸。未來幾年中，世界單晶矽材料發展將呈現以下發展趨勢：
微型化
隨著半導體材料技術的發展，對矽片的規格和質量也提出更高的要求，適合微細加工的大直徑矽片在市場中的需求比例將日益加大。矽片主流產品是200mm，逐漸向300mm過渡，研製水平達到400mm～450mm。據統計，200mm矽片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其餘占20%左右。Gartner發布的對矽片需求的5年預測表明，全球300mm矽片將從2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韓等國家都已經在1999年開始逐步擴大300mm矽片產量。據不完全統計，全球已建、在建和計畫建的300mm矽器件生產線約有40餘條，主要分布在美國和我國台灣等，僅我國台灣就有20多條生產線，其次是日、韓、新及歐洲。%P
世界半導體設備及材料協會（SEMI）的調查顯示，2004年和2005年，在所有的矽片生產設備中，投資在300mm生產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
研發及建廠成本的日漸增高，加上現有行銷與品牌的優勢，使得矽材料產業形成“大者恆大”的局面，少數集約化的大型集團公司壟斷材料市場。上世紀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SEMI提供的2002年世界矽材料生產商的市場份額顯示，Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市場總額的比重達到89%，壟斷地位已經形成。
矽基材料
隨著光電子和通信產業的發展，矽基材料成為矽材料工業發展的重要方向。矽基材料是在常規矽材料上製作的，是常規矽材料的發展和延續，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和應力矽。SOI技術已開始在世界上被廣泛使用，SOI材料約占整個半導體材料市場的30%左右，預計到2010年將占到50%左右的市場。Soitec公司（世界最大的SOI生產商）的2000年～2010年SOI市場預測以及2005年各尺寸SOI矽片比重預測了產業的發展前景。
製造技術升級
半導體,晶片積體電路,設計版圖,晶片製造,工藝世界普遍採用先進的切、磨、拋和潔淨封裝工藝，使製片技術取得明顯進展。在日本，Φ200mm矽片已有50%採用線切割機進行切片，不但能提高矽片質量，而且可使切割損失減少10%。日本大型半導體廠家已經向300mm矽片轉型，並向0.13μm以下的微細化發展。另外，最新尖端技術的導入，SOI等高功能晶片的試製開發也進入批量生產階段。對此，矽片生產廠家也增加了對300mm矽片的設備投資，針對設計規則的進一步微細化，還開發了高平坦度矽片和無缺陷矽片等，並對設備進行了改進。
矽是地殼中賦存最高的固態元素，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。矽的原子價主要為4價，其次為2價；在常溫下它的化學性質穩定，不溶於單一的強酸，易溶於鹼；在高溫下化學性質活潑，能與許多元素化合。
矽材料資源豐富，又是無毒的單質半導體材料，較易製作大直徑無位錯低微缺陷單晶。晶體力學性能優越，易於實現產業化，仍將成為半導體的主體材料。
多晶矽材料是以工業矽為原料經一系列的物理化學反應提純後達到一定純度的電子材料，是矽產品產業鏈中的一個極為重要的中間產品，是製造矽拋光片、太陽能電池及高純矽製品的主要原料，是信息產業和新能源產業最基礎的原材料。
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放入石英坩堝內，雜質的種類依電阻的N或P型而定。雜質種類有硼，磷，銻，砷。
（2）熔化：加完多晶矽原料於石英堝內後，長晶爐必須關閉並抽成真空後充入高純氬氣使之維持一定壓力範圍內，然後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：當矽熔體的溫度穩定之後，將籽晶慢慢浸入矽熔體中。由於籽晶與矽熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產生位錯，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）由於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，產生零位錯的晶體。
（4）放肩生長：長完細頸之後，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：長完細頸和肩部之後，借著拉速與溫度的不斷調整，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。單晶矽片取自於等徑部分。
（6）尾部生長：在長完等徑部分之後，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。於是為了避免此問題的發生，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後取出，即完成一次生長周期。
市場發展
2007年，中國市場上有各類矽單晶生產設備1500餘台，分布在70餘家生產企業。2007年5月24日，國家“863”計畫超大規模積體電路（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和北京有色金屬研究總院承擔的“TDR-150型單晶爐（12英寸MCZ綜合系統）”完成了驗收。這標誌著擁有自主智慧財產權的大尺寸積體電路與太陽能用矽單晶生長設備，在我國首次研製成功。這項產品使中國能夠開發具有自主智慧財產權的關鍵製造技術與單晶爐生產設備，填補了國內空白，初步改變了在晶體生長設備領域研發製造受制於人的局面。
矽材料市場前景廣闊，中國矽單晶的產量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的矽片生產已成為國際公認的事實，為世界和中國積體電路、半導體分立器件和光伏太陽能電池產業的發展做出了較大的貢獻。
相關區別
單晶矽和多晶矽的區別
單晶矽和多晶矽的區別是，當熔融的單質矽凝固時,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在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面，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淨的物質了，一般的半導體器件要求矽的純度六個9以上。大規模積體電路的要求更高，矽的純度必須達到九個9。人們已經能製造出純度為十二個9的單晶矽。單晶矽是電子計算機、自動控制系統等現代科學技術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。
冶金級矽的提煉並不難。它的製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%，但半導體工業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)”的關鍵技術我國還沒有掌握，由於沒有這項技術，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，而且環境污染非常嚴重。我國每年都從石英石中提取大量的工業矽，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。
得到高純度的多晶矽後，還要在單晶爐中熔煉成單晶矽，以後切片後供積體電路製造等用。
單晶矽,多晶矽及非晶矽太陽能電池的區別
單晶矽太陽電池：
單晶矽太陽電池是當前開發得最快的一種太陽電池，它的構成和生產工藝已定型，產品已廣泛用於宇宙空間和地面設施。這種太陽電池以高純的單晶矽棒為原料，純度要求99.999%。為了降低生產成本，現在地面套用的太陽電池等採用太陽能級的單晶矽棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶矽材料，經過復拉製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。矽片經過成形、拋磨、清洗等工序，製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。然後採用絲網印刷法，將配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在有柵線的面塗覆減反射源，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製成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用串聯和並聯的方法構成一定的輸出電壓和電流，最後用框架和封裝材料進行封裝。用戶根據系統設計，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換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。用於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需要消耗大量的高純矽材料，而製造這些材料工藝複雜，電耗很大，在太陽電池生產總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶矽棒呈圓柱狀，切片製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製。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，經破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當的腐蝕，然後用去離子水沖洗呈中性，並烘乾。用石英坩堝裝好多晶矽料，加人適量硼矽，放人澆鑄爐，在真空狀態中加熱熔化。熔化後應保溫約20分鐘，然後注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻後，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，可提高材質利用率和方便組裝。多晶矽太陽電池的製作工藝與單晶矽太陽電池差不多，其光電轉換效率約12%左右，稍低於單晶矽太陽電池，但是材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。隨著技術得提高，目前多晶矽的轉換效率也可以達到14%左右。
非晶矽太陽電池：
非晶矽太陽電池是1976年有出現的新型薄膜式太陽電池，它與單晶矽和多晶矽太陽電池的製作方法完全不同，矽材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。製造非晶矽太陽電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發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鏽鋼板。這種製備非晶矽薄膜的工藝，主要取決於嚴格控制氣壓、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構有各種不同，其中有一種較好的結構叫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，然後再沉積一層摻硼的P型非晶矽，最後用電子束蒸發一層減反射膜，並蒸鍍銀電極。此種製作工藝，可以採用一連串沉積室，在生產中構成連續程式，以實現大批量生產。同時，非晶矽太陽電池很薄，可以製成疊層式，或採用積體電路的方法製造，在一個平面上，用適當的掩模工藝，一次製作多個串聯電池，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，現在日本生產的非晶矽串聯太陽電池可達2.4伏。目前非晶矽太陽電池存在的問題是光電轉換效率偏低，國際先進水平為10%左右，且不夠穩定，常有轉換效率衰降的現象，所以尚未大量用於作大型太陽能電源，而多半用於弱光電源，如袖珍式電子計算器、電子鐘錶及複印機等方面。估計效率衰降問題克服後，非晶矽太陽電池將促進太陽能利用的大發展，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合構成住戶的獨立電源。
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。
單晶矽製備與仿真
1）直拉法
其優點是晶體被拉出液面不與器壁接觸，不受容器限制，因此晶體中應力小，同時又能防止器壁沾污或接觸所可能引起的雜亂晶核而形成多晶。此法製成的單晶完整性好，直徑和長度都可以很大，生長速率也高。所用坩堝必須由不污染熔體的材料製成。因此，一些化學性活潑或熔點極高的材料，由於沒有合適的坩堝，而不能用此法製備單晶體，而要改用區熔法晶體生長或其他方法。
2）區熔法
