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硅
单晶硅的制作、性质和用途
定义:
定义:
不含有大角晶界或孪晶界的硅晶体。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料,随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加,单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。
在地壳中含量达25.8%的硅元素,为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。
近年来,各种晶体材料,特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展,成为当代信息技术产业的支柱,并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。
单晶硅作为一种极具潜能,亟待开发利用的高科技资源,正引起越来越多的关注和重视。
与此同时,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略的重要内容。
在跨入21世纪门槛后,世界大多数国家踊跃参与以至在全球范围掀起了太阳能开发利用的“绿色能源热”,一个广泛的大规模的利用太阳能的时代正在来临,太阳能级单晶硅产品也将因此受世人瞩目。
单晶硅性质;单晶硅具有金刚石晶格。
晶体硬而脆具有金属光泽。
能导电。
但导电率不及金属随温度升高而增加。
具有半导体性质。
单晶硅是重要的半导体材料,在单晶硅中掺入微量的IIIA族元素,形成P型半导体。
掺入微量的第vA族元素,形成N型半导体。
形成N型和P型导体结合在一起。
就可以做成太阳能电池。
将辐射能转变为电能。
在开发电能方面是一种很有前途的材料。
硅是地球上储藏最丰富的材料之一,从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后,它几乎改变了一切,甚至人类的思维。
直到上世纪60年代开始,硅材料就取代了原有锗材料。
硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好,特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料,目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。
单晶硅
单晶硅具有准金属的物理性质,有较弱的导电性,其电导率随温度的升高而增加,有显著的半导电性。
超纯的单晶硅是本征半导体。
在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素,如硼可提高其导电的程度,而形成p型硅半导体;如掺入微量的ⅤA族元素,如磷或砷也可提高导电程度,形成n型硅半导体。
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料,随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加,单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
微型化
随着半导体材料技术的发展,对硅片的规格和质量也提出更高的要求,适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。
目前,硅片主流产品是200mm,逐渐向300mm过渡,研制水平达到400mm~450mm。
据统计,200mm硅片的全球用量占60%左右,150mm占20%左右,其余占20%左右。
Gartner发布的对硅片需求的5年预测表明,全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。
日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅片产量。
据不完全统计,全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条,主要分布在美国和我国台湾等,仅我国台湾就有20多条生产线,其次是日、韩、新及欧洲。
世界半导体设备及材料协会(SEMI)的调查显示,2004年和2005年,在所有的硅片生产设备中,投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%,投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元,发展十分迅猛。
而在1996年时,这一比重还仅仅是零。
2.国际化,集团化,集中化
研发及建厂成本的日渐增高,加上现有行销与品牌的优势,使得硅材料产业形成“大者恒大”的局面,少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。
上世纪90年代末,日本、德国和韩国(主要是日、德两国)资本控制的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。
根据SEMI提供的2002年世界硅材料生产商的市场份额显示,Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%,垄断地位已经形成。
3.硅基材料
随着光电子和通信产业的发展,硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向。
硅基材料是在常规硅材料上制作的,是常规硅材料的发展和延续,其器件工艺与硅工艺相容。
主要的硅基材料包括SOI(绝缘体上硅)、GeSi和应力硅。
目前SOI技术已开始在世界上被广泛使用,SOI材料约占整个半导体材料市场的30%左右,预计到2010年将占到50%左右的市场。
Soitec公司(世界最大的SOI生产商)的2000年~2010年SOI市场预测以及2005年各尺寸SOI硅片比重预测了产业的发展前景。
4.硅片制造技术进一步升级
半导体,芯片集成电路,设计版图,芯片制造,工艺目前世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺,使制片技术取得明显进展。
在日本,Φ200mm硅片已有50%采用线切割机进行切片,不但能提高硅片质量,而且可使切割损失减少10%。
日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型,并向0.13μm以下的微细化发展。
另外,最新尖端技术的导入,SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。
对此,硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资,针对设计规则的进一步微细化,还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等,并对设备进行了改进。
硅是地壳中赋存最高的固态元素,其含量为地壳的四分之一,但在自然界不存在单体硅,多呈氧化物或硅酸盐状态。
硅的原子价主要为4价,其次为2价;在常温下它的化学性质稳定,不溶于单一的强酸,易溶于碱;在高温下化学性质活泼,能与许多元素化合。
硅材料资源丰富,又是无毒的单质半导体材料,较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。
晶体力学性能优越,易于实现产业化,仍将成为半导体的主体材料。
多晶硅材料是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料,是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品,是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料,是信息产业和新能源产业最基础的原材料。
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸(300毫米)及18英寸(450毫米)等。
直径越大的圆片,所能刻制的集成电路越多,芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体生长方法的不同,分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。
直拉法、区熔法生长单晶硅棒材,外延法生长单晶硅薄膜。
直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。
区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域,广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。
目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
单晶硅具有金刚石晶格,晶体硬而脆,具有金属光泽,能导电,但导电率不及金属,且随着温度升高而增加,具有半导体性质。
单晶硅是重要的半导体材料。
在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素,形成P型半导体,掺入微量的第VA族元素,形成N型,N型和P型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。
在开发能源方面是一种很有前途的材料。
单晶硅具有准金属的物理性质,有较弱的导电性,其电导率随温度的升高而增加,有显著的半导电性。
单晶硅是制造半导体硅器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。
在开发能源方面是一种很有前途的材料。
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