【正文】 國(guó)消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴(lài)進(jìn)口。單晶硅已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技中各個(gè)領(lǐng)域。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(chē)、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。單晶硅按晶體生長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法（ CZ）、區(qū)熔法（ FZ）和外延法。 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)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)單晶硅的生產(chǎn)工藝和單晶硅的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用前景做相應(yīng)的研究。 在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開(kāi)始。北京 2021 年奧運(yùn)會(huì)將把 ―綠色奧運(yùn) ‖做為重要展示面向全世界展現(xiàn)，單晶硅的利用在其中將是非常重要的一環(huán)。本文首先對(duì)單晶硅的加工方法、加工工藝做了詳細(xì)的介紹，然后對(duì)以單晶硅為原產(chǎn)品加工出來(lái)的不同產(chǎn)品的應(yīng)用做了具體的分析。 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。直拉法、區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅棒材，外延法生長(zhǎng)單晶硅薄膜。目前晶體直徑可控制在 Φ3~6英寸。 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。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。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。 世界半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會(huì)（ SEMI）的調(diào)查顯示， 2021 年和 2021 年，在所有的硅片生產(chǎn)設(shè)備中，投資在 300mm生產(chǎn)線(xiàn)上的比例將分別為 55%和 62%，投資額也分別達(dá)到 億美元和 億美元，發(fā)展十分迅猛。根據(jù) SEMI 提供的 2021 年世界硅材料生產(chǎn)商的市場(chǎng)份額顯示， Shisu、 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。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， 2021年占到 50%左右的市場(chǎng)。日本大型半導(dǎo)體廠家已經(jīng)向 300mm 硅片轉(zhuǎn)型，并向 。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。摻入微量的第 vA 族元素，形成 N 型半導(dǎo)體。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，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。在超純單晶硅中摻入微量的 Ⅲ A 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 Ⅴ A 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。航天飛機(jī)、宇 4 宙飛船、人造衛(wèi)星都要以單晶硅作為必不可少的原材料。中國(guó)消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴(lài)進(jìn)口。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)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(xiàn)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(xiàn)，其次是日、韓、新及歐洲。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(xiāo)量占世界硅片銷(xiāo)量的 90%以上。主要的硅基材料包括 SOI、 GeSi 和應(yīng)力硅。在日本， Φ200mm硅片已有 50%采用線(xiàn)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%。 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)。 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。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。 多晶硅按純度分類(lèi)可以分為冶金級(jí)（工業(yè)硅）、太陽(yáng)能級(jí)、電子級(jí)。一般認(rèn)為含 Si 在 %– %（ 4～ 6 個(gè) 9）。主要用做半導(dǎo)體的原料，是制做單晶硅的主要原料，可作各種晶體管、整流二極管、可控硅、太陽(yáng)能電池、集成電路、電子計(jì)算機(jī)芯片以及紅外探測(cè)器等。 西門(mén)子法（三氯氫硅還原法）是以 HCl（或 Cl H2）和冶金級(jí)工業(yè)硅為原料，將粗硅（工業(yè)硅）粉與 HCl 在高溫下合成為 SiHCl3，然后對(duì) SiHCl3 進(jìn)行化學(xué)精制提純，接著對(duì) SiHCL3 進(jìn)行多級(jí)精餾，使其純度達(dá)到 9 個(gè) 9 以上，其中金屬雜質(zhì)總含量應(yīng)降到 以下，最后在還原爐中 在 1050℃ 的硅芯上用超高純的氫氣對(duì) SiHCL3 進(jìn)行還原而長(zhǎng)成高純多晶硅棒。 （３）縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。 （５）等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)２ｍｍ之間，這段直徑固定的部分即稱(chēng)為等徑部分。這一過(guò)程稱(chēng)之為尾部生長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上硅單 晶的產(chǎn)量中 70％～ 80％是用直拉法生產(chǎn)的。 （ 1）主機(jī)部分： ●機(jī)架，雙立柱 ●雙層水冷式結(jié)構(gòu)爐體 ●水冷式閥座 ●晶體提升及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) ●坩堝提升及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) ●氬氣系統(tǒng) ●真空系統(tǒng)及自動(dòng)爐壓檢測(cè)控制 ●水冷系統(tǒng)及多種安全保障裝置 ●留有二次加料口 （ 2）加熱器電源： 全水冷電源裝置采用專(zhuān)利電源或原裝進(jìn)口 IGBT 及超快恢復(fù)二極管等功率器件。 原理簡(jiǎn)介 首先，把高純度的原料多晶硅放入高純石英坩堝，通過(guò) 石墨 加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化。最后，待大部分硅溶液都已經(jīng)完成結(jié)晶時(shí)，再將晶體逐漸縮小而形成一個(gè)尾形錐體，稱(chēng)為收尾工藝。提高晶體中的溫度梯度，可以提高晶體生長(zhǎng)速度；但溫度梯度太大，將在晶體中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)等晶體缺陷的形成，甚至?xí)咕w產(chǎn)生裂紋。實(shí)際生產(chǎn)中，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度一般比坩鍋快 13 倍，晶體和坩鍋彼此的相互反向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熔體中心區(qū)與外圍區(qū)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有利于在固液界面下方形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，有利于晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)。 11 生長(zhǎng)過(guò)程中各階段生長(zhǎng)條件 的差異 直拉法的引晶階段的熔體高度最高，裸露坩堝壁的高度最小，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程直到收尾階段，裸露坩堝壁的高度不斷增大，這樣造成生長(zhǎng)條件不斷變化（熔體的對(duì)流、熱傳輸、固液界面形狀等），即整個(gè)晶錠從頭到尾經(jīng)歷不同的熱歷史：頭部受熱時(shí)間最長(zhǎng)，尾部最短，這樣會(huì)造成晶體軸向、徑向雜質(zhì)分布不均勻。 半導(dǎo)體熔體都是良導(dǎo)體，對(duì)熔體施加磁場(chǎng)，熔體會(huì)受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的洛倫磁力作用，可以阻礙熔體中的對(duì)流，這相當(dāng)于增大了熔體中的粘滯性。這樣可明顯提高晶體中雜質(zhì)分布的均勻性，晶體的徑向 電阻分布均勻性也可以得到提高；降低了單晶中的缺陷密度；減少了雜質(zhì)的進(jìn)入，提高了晶體的純度。 磁控直拉技術(shù)主要用于制造電荷 耦合（ CCD）器件和一些功率器件的硅單晶。連續(xù)加料直拉生長(zhǎng)技術(shù)有兩種加料法：連續(xù)固體送料和連續(xù)液體送料法。廣泛使用的覆蓋劑為B2O3:密度 ，軟化溫度 450C，在 1300C 時(shí)蒸氣壓僅為 13Pa，透明性好，粘滯性也好。不使用坩堝，單晶生長(zhǎng)過(guò)程不會(huì)被坩堝材料污染，由于雜質(zhì)分凝和蒸發(fā)效應(yīng)，可以生長(zhǎng)出高電阻率硅單晶。不使用坩堝，單晶生長(zhǎng)過(guò)程不會(huì)被坩堝材料污染，由于雜質(zhì)分凝和蒸發(fā)效應(yīng)，可以生長(zhǎng)出高電阻率硅單晶。目前懸浮區(qū)熔法制備的單晶硅僅占有很小市場(chǎng)份額。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。 單晶硅太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)電池是當(dāng)前開(kāi)發(fā)得最快的一種太陽(yáng)電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于宇宙空間和地面設(shè)施。將單晶硅棒切成片，一般片厚約 毫 米。該工序主要用來(lái)對(duì)硅片的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量，這些參數(shù)主要包括硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率、 P/N 型 和微裂紋等。硅片檢測(cè)設(shè)備能夠自動(dòng)裝片和卸片，并且能夠?qū)⒉缓细衿贩诺焦潭ㄎ恢?，從而提高檢測(cè)精度和效率。大多使用廉價(jià)的濃度約為 1%的氫氧化鈉稀溶液來(lái)制備絨面硅，腐蝕溫度為 7085℃ 。 （ 3）擴(kuò)散制結(jié) 太陽(yáng)能電池需要一個(gè)大面積的 PN 結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而擴(kuò)散爐即為制造太陽(yáng)能電池 PN 結(jié)的專(zhuān)用設(shè)備。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過(guò) 硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散，形成了 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體的交界面，也就是 PN 結(jié)。 （ 4）去磷硅玻璃 該工藝用于太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)制造過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層 磷硅玻璃。氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。因此，必須對(duì)太陽(yáng)能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕，以去除電池邊緣的 PN 結(jié)?；钚苑磻?yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到 達(dá) SiO2表面，在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，被真空系統(tǒng)抽出腔體。它的技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體 SiH4和NH3，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面 形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。 （ 7）絲網(wǎng)印刷 太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)制絨、擴(kuò)散及 PECVD 等工序后，已經(jīng)制成 PN 結(jié)，可以在光照下產(chǎn)生電流，為了將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出，需要在電池表面上制作正、負(fù)兩個(gè)電極。油墨在移動(dòng)中被刮刀從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓