單晶硅

單晶硅發(fā)展現(xiàn)狀
 

單晶硅建設(shè)項目具有巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間。在地殼中含量達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)濟發(fā)展中增長最快的先導產(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．

單晶硅物理特性

硅是地球上儲藏最豐富的材料之一，從19世紀科學家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導體特性后，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，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)用最多的一種半導體材料，目前的集成電路半導體器件大多數(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)，是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999％，甚至達到99.9999999％以上。用于制造半導體器件、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。單晶硅具有準金屬的物理性質(zhì)，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。超純的單晶硅是本征半導體。

在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成p型硅半導體；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型硅半導體。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體元件。

用途： 是制造半導體硅器件的原料，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，標志著我國單晶硅生產(chǎn)進入了新的發(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，研制水平達到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計，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年開始逐步擴大300mm硅片產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球目前已建、在建和計劃建的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)進一步升級：半導體,芯片,集成電路,設(shè)計,版圖,芯片,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硅片已有50%采用線切割機進行切片，不但能提高硅片質(zhì)量，而且可使切割損失減少10%。日本大型半導體廠家已經(jīng)向300mm硅片轉(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，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)計規(guī)則的進一步微細化，還開發(fā)了高平坦度硅片和無缺陷硅片等，并對設(shè)備進行了改進。

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；在常溫下它的化學性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于單一的強酸，易溶于堿；在高溫下化學性質(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)半導體材料，較易制作大直徑無位錯低微缺陷單晶。晶體力學性能優(yōu)越，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍將成為半導體的主體材料。

多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列的物理化學反應(yīng)提純后達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”計劃超大規(guī)模集成電路（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(tǒng)）”完成了驗收。這標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)已成為國際公認的事實，為世界和中國集成電路、半導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。