單晶硅

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(chǎng)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(lái)，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(zhǎng)最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開(kāi)發(fā)利用的高科技資源，正引起越來(lái)越多的關(guān)注和重視。

 與此同時(shí)，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(guó)家正掀起開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮并成為各國(guó)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(guó)家踴躍參與以至在全球范圍掀起了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的“綠色能源熱”，一個(gè)廣泛的大規(guī)模的利用太陽(yáng)能的時(shí)代正在來(lái)臨，太陽(yáng)能級(jí)單晶硅產(chǎn)品也將因此炙手可熱。

此外，包括我國(guó)在內(nèi)的各國(guó)政府也出臺(tái)了一系列“陽(yáng)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(méi)有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場(chǎng)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(chǔ)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(kāi)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(yáng)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(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)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(wú)定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)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(kāi)關(guān)器件等

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

熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)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(wú)定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)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(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)對(duì)單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場(chǎng)需求也呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

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(duì)材料和技術(shù)的要求也越高。單晶硅按晶體伸長(zhǎng)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(zhǎng)單晶硅棒材，外延法伸長(zhǎng)單晶硅薄膜。直拉法伸長(zhǎng)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(yáng)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(chǔ)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(jià)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(chǎng)前景，價(jià)值也就越高。

單晶硅研究趨勢(shì)

日本、美國(guó)和德國(guó)是主要的硅材料生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)硅材料工業(yè)與日本同時(shí)起步，但總體而言，生產(chǎn)技術(shù)水平仍然相對(duì)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(guó)消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進(jìn)口。但我國(guó)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(guó)單晶硅生產(chǎn)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。目前，全世界單晶硅的產(chǎn)能為1萬(wàn)噸/年，年消耗量約為6000噸～7000噸。未來(lái)幾年中，世界單晶硅材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1，單晶硅產(chǎn)品向300mm過(guò)渡，大直徑化趨勢(shì)明顯：
 

隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(chǎng)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(guò)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(duì)硅片需求的5年預(yù)測(cè)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(guó)家都已經(jīng)在1999年開(kāi)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(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等，僅我國(guó)臺(tái)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(huì)（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(shí)，這一比重還僅僅是零。

2、硅材料工業(yè)發(fā)展日趨國(guó)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(shì)，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(chǎng)。上世紀(jì)90年代末，日本、德國(guó)和韓國(guó)（主要是日、德兩國(guó)）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(chǎng)份額顯示，Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市場(chǎng)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(kāi)始在世界上被廣泛使用，SOI材料約占整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的30%左右，預(yù)計(jì)到2010年將占到50%左右的市場(chǎng)。Soitec公司（世界最大的SOI生產(chǎn)商）的2000年～2010年SOI市場(chǎng)預(yù)測(cè)以及2005年各尺寸SOI硅片比重預(yù)測(cè)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(jí)：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(kāi)發(fā)也進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。對(duì)此，硅片生產(chǎn)廠家也增加了對(duì)300mm硅片的設(shè)備投資，針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則的進(jìn)一步微細(xì)化，還開(kāi)發(fā)了高平坦度硅片和無(wú)缺陷硅片等，并對(duì)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(jià)主要為4價(jià)，其次為2價(jià)；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(wú)毒的單質(zhì)半導(dǎo)體材料，較易制作大直徑無(wú)位錯(cuò)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(gè)極為重要的中間產(chǎn)品，是制造硅拋光片、太陽(yáng)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(chǎng)發(fā)展概況

2007年，中國(guó)市場(chǎng)上有各類硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備1500余臺(tái)，分布在70余家生產(chǎn)企業(yè)。2007年5月24日，國(guó)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(duì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的大尺寸集成電路與太陽(yáng)能用硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備，在我國(guó)首次研制成功。這項(xiàng)產(chǎn)品使中國(guó)能夠開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)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(guó)內(nèi)空白，初步改變了在晶體生長(zhǎng)設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)制造受制于人的局面。

硅材料市場(chǎng)前景廣闊，中國(guó)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(guó)際公認(rèn)的事實(shí)，為世界和中國(guó)集成電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。