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單晶硅

單晶硅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。

單晶硅發(fā)展現(xiàn)狀
 

單晶硅建設(shè)項(xiàng)目具有巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間。在地殼中含量達(dá)25.8%的硅元素,為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。

近年來,各種晶體材料,特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱,并使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。單晶硅作為一種極具潛能,亟待開發(fā)利用的高科技資源,正引起越來越多的關(guān)注和重視。

 與此同時,鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加,世界上許多國家正掀起開發(fā)利用太陽能的熱潮并成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略斬重要內(nèi)容。 
 

在跨入21世紀(jì)門檻后,世界大多數(shù)國家踴躍參與以至在全球范圍掀起了太陽能開發(fā)利用的“綠色能源熱”,一個廣泛的大規(guī)模的利用太陽能的時代正在來臨,太陽能級單晶硅產(chǎn)品也將因此炙手可熱。

此外,包括我國在內(nèi)的各國政府也出臺了一系列“陽光產(chǎn)業(yè)”的優(yōu)惠政策,給予相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)扶持,單晶硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出美好的發(fā)展前景。

非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體,它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”,也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子,這些電子在電場作用下就可以產(chǎn)生電流,并不需要聲子的幫助,因而非晶硅可以做得很薄,還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn).

單晶硅物理特性

硅是地球上儲藏最豐富的材料之一,從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后,它幾乎改變了一切,甚至人類的思維。直到上世紀(jì)60年代開始,硅材料就取代了原有鍺材料。硅材料――因其具有耐高溫和抗輻射性能較好,特別適宜制作大功率器件的特性而成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料,目前的集成電路半導(dǎo)體器件大多數(shù)是用硅材料制造的。

硅的單晶體。具有基本完整的點(diǎn)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(dá)到99.9999%,甚至達(dá)到99.9999999%以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。

單晶硅熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅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)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(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。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。

在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素,如硼可提高其導(dǎo)電的程度,而形成p型硅半導(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型硅半導(dǎo)體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

單晶硅主要用途

單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件。

用途: 是制造半導(dǎo)體硅器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等

現(xiàn)在,我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用,晶體硅太陽能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。

熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅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)合起來便結(jié)晶成單晶硅。

單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料,隨著國內(nèi)和國際市場對單晶硅片需求量的快速增加,單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。

單晶硅圓片按其直徑分為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,所能刻制的集成電路越多,芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術(shù)的要求也越高。單晶硅按晶體伸長方法的不同,分為直拉法(CZ)、區(qū)熔法(FZ)和外延法。直拉法、區(qū)熔法伸長單晶硅棒材,外延法伸長單晶硅薄膜。直拉法伸長的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、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(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。目前晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。

由于成本和性能的原因,直拉法(CZ)單晶硅材料應(yīng)用最廣。在IC工業(yè)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制造中有更好的適用性并具有消除Latch-up的能力。
 

硅片直徑越大,技術(shù)要求越高,越有市場前景,價值也就越高。

單晶硅研究趨勢

日本、美國和德國是主要的硅材料生產(chǎn)國。中國硅材料工業(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英寸硅錠和小直徑硅片。中國消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進(jìn)口。但我國科技人員正迎頭趕上,于1998年成功地制造出了12英寸單晶硅,標(biāo)志著我國單晶硅生產(chǎn)進(jìn)入了新的發(fā)展時期。目前,全世界單晶硅的產(chǎn)能為1萬噸/年,年消耗量約為6000噸~7000噸。未來幾年中,世界單晶硅材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢:

1,單晶硅產(chǎn)品向300mm過渡,大直徑化趨勢明顯:
 

隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展,對硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求,適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。目前,硅片主流產(chǎn)品是200mm,逐漸向300mm過渡,研制水平達(dá)到400mm~450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì),200mm硅片的全球用量占60%左右,150mm占20%左右,其余占20%左右。Gartner發(fā)布的對硅片需求的5年預(yù)測表明,全球300mm硅片將從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(kuò)大300mm硅片產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球目前已建、在建和計(jì)劃建的300mm硅器件生產(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。

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,在所有的硅片生產(chǎn)設(shè)備中,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(dá)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。

2、硅材料工業(yè)發(fā)展日趨國際化,集團(tuán)化,生產(chǎn)高度集中:

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,使得硅材料產(chǎn)業(yè)形成“大者恒大”的局面,少數(shù)集約化的大型集團(tuán)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大硅片公司的銷量占世界硅片銷量的90%以上。根據(jù)SEMI提供的2002年世界硅材料生產(chǎn)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(dá)到89%,壟斷地位已經(jīng)形成。

3、硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向:

隨著光電子和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向。硅基材料是在常規(guī)硅材料上制作的,是常規(guī)硅材料的發(fā)展和延續(xù),其器件工藝與硅工藝相容。主要的硅基材料包括SOI(絕緣體上硅)、GeSi和應(yīng)力硅。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(jì)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硅片比重預(yù)測了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。

4、硅片制造技術(shù)進(jìn)一步升級:半導(dǎo)體,芯片,集成電路,設(shè)計(jì),版圖,芯片,制造,工藝目前世界普遍采用先進(jìn)的切、磨、拋和潔凈封裝工藝,使制片技術(shù)取得明顯進(jìn)展。在日本,Φ200mm硅片已有50%采用線切割機(jī)進(jìn)行切片,不但能提高硅片質(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硅片轉(zhuǎn)型,并向0.13μm以下的微細(xì)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(jìn)入批量生產(chǎn)階段。對此,硅片生產(chǎn)廠家也增加了對300mm硅片的設(shè)備投資,針對設(shè)計(jì)規(guī)則的進(jìn)一步微細(xì)化,還開發(fā)了高平坦度硅片和無缺陷硅片等,并對設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。

硅是地殼中賦存最高的固態(tài)元素,其含量為地殼的四分之一,但在自然界不存在單體硅,多呈氧化物或硅酸鹽狀態(tài)。硅的原子價主要為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(qiáng)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。

硅材料資源豐富,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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,仍將成為半導(dǎo)體的主體材料。

多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的電子材料,是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的一個極為重要的中間產(chǎn)品,是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅制品的主要原料,是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料。

單晶硅市場發(fā)展概況

2007年,中國市場上有各類硅單晶生長設(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(jì)劃超大規(guī)模集成電路(IC)配套材料重大專項(xiàng)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(yàn)收。這標(biāo)志著擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大尺寸集成電路與太陽能用硅單晶生長設(shè)備,在我國首次研制成功。這項(xiàng)產(chǎn)品使中國能夠開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵制造技術(shù)與單晶爐生產(chǎn)設(shè)備,填補(bǔ)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。

硅材料市場前景廣闊,中國硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快,以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國際公認(rèn)的事實(shí),為世界和中國集成電路、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(xiàn)。
 


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