【文章內(nèi)容簡介】 以上。根據(jù) SEMI 提供的 2020 年世界硅材料生產(chǎn)商的市場份額顯示， 5 Shisu、 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 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、 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)計到 2020 年將占到 50%左右的市場。 Soitec 公司（世界最大的 SOI 生產(chǎn)商）的 2020 年 ~2020 年 SOI 市場預(yù)測以及 2020 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 ,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 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 2020 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)。 2020 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 6 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 ―TDR150 型單晶爐（ 12 英寸 MCZ 綜合系統(tǒng)） ‖完成了驗收。這標(biāo)志著擁有蜘蛛知識產(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(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，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)。 7 2 單晶硅的生產(chǎn)工藝 多晶硅 ——制作單晶硅的原料 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。 多晶硅材料是制備單晶硅的唯一原料和生產(chǎn)太陽能電池的原料，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。 多晶硅按純度分類可以分為冶金級（工業(yè)硅）、太陽能級、電子級。 （ 1）冶金級硅（ MG）：是硅的氧化物在電弧爐中被碳還原而成。一般含 Si 為 90 95% 以上，高達(dá) % 以上。 （ 2）太陽級硅 (SG)：純度介于冶金級硅與電子級硅之間，至今未有明確界定。一般認(rèn)為含 Si 在 %– %（ 4～ 6 個 9）。 （ 3 ）電 子級硅（ EG ）：一般要 求含 Si % 以上，超 高純達(dá)到%~%（ 9~11 個 9）。其導(dǎo)電性介于 104—1010 歐厘米。 多晶硅是半導(dǎo)體工業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的最主要、最基礎(chǔ)的功能性材料。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、太陽能電池、集成電路、電子計算機(jī)芯片以及紅外探測器等。 多晶硅生產(chǎn)技術(shù)主要有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。正在研發(fā)的還有冶金法、氣液沉積法、重?fù)焦鑿U料法等制造低成本多晶硅的新工藝。 世界上 85％的多晶硅是采用改良西門子法生產(chǎn)的，其余方法生產(chǎn)的多晶硅僅占 15％。 西門子法（三氯氫硅還原法）是以 HCl（或 Cl H2）和冶金級工業(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 SiHCl3 進(jìn)行化學(xué)精制提純，接著對 SiHCL3 進(jìn)行多級精餾，使其純度達(dá)到 9 個 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 SiHCL3 進(jìn)行還原而長成高純多晶硅棒。 單晶硅的加工過程 單晶硅的生產(chǎn)過程包括以下幾個步驟：加料 —→ 熔化 —→ 縮頸生長 —→ 放肩生長 —→ 8 等徑生長 —→ 尾部生長 （１）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的Ｎ或Ｐ型而定。雜質(zhì)種類有硼， 磷，銻，砷。 （２）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（ 1420℃ ）以上，將多晶硅原料熔化。 （３）縮頸生長：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉?？s頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?4—6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯的晶體。 （ ４）放肩生長：長完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 （５）等徑生長：長完細(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為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。 （６）尾部生長：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。 直拉法單晶硅工藝 直拉法 ，也叫切克勞斯基（ ）方法。此法早在 1917 年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉法生長單晶的設(shè)備和工藝比較簡單，容易實現(xiàn)自動控制，生產(chǎn)效率高，易于制備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。據(jù)統(tǒng)計，世界上硅單晶的產(chǎn)量中 70％～ 80％是用直拉法生產(chǎn)的。 制造設(shè)備 單晶硅生長爐是通過直拉法生產(chǎn)單晶硅的制造設(shè)備。主要由主機(jī)、加熱電源和計算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。 在國內(nèi)，單晶硅生長爐主要有江南電力光伏科技有限公司 生產(chǎn)的單 晶硅生長爐（ TDR85/95/105JN）， 上虞晶盛機(jī)電工程有限公司生產(chǎn)的 ZJS 系列 TDR80A， 9 TDR80B， TDR85A， TDR95A 型全自動晶體生長爐 中國西安理工大學(xué)研究所生產(chǎn)的主要產(chǎn)品有 TDR62B、 TDR70B、 TDR80。 （ 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)及自動爐壓檢測控制 ●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利電源或原裝進(jìn)口 IGBT 及超快恢復(fù)二極管等功率器件。配以特效高頻變壓器，構(gòu)成新一代高頻開關(guān)電源。采用移相全橋軟開關(guān)（ ZVS）及CPU 獨立控制技術(shù)，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 （ 3）計算機(jī)控制系統(tǒng)： 采用 PLC 和上位工業(yè)平板電腦 PC 機(jī)，配備大屏幕觸摸式 HMI 人機(jī)界面、高像素 CCD 測徑 ADC 系統(tǒng)和具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的 ―全自動 CZ 法晶體生長 SCADA 監(jiān)控系統(tǒng) ‖，可實現(xiàn)從抽真空 —檢漏 —爐壓控制 —熔料 —穩(wěn)定 —溶接 —引晶 —放肩 —轉(zhuǎn)肩—等徑 —收尾 —停爐 全過程自動控制。 原理簡介 首先，把高純度的原料多晶硅放入高純石英坩堝，通過 石墨 加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化。然后，對熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的硅單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長。接著，控制籽晶生長出一段長為 100mm 左右、直徑為 3～ 5mm 的細(xì)頸，用于消除高溫溶液對籽晶的強(qiáng)烈熱沖擊而產(chǎn)生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶；隨后，放大晶體直徑到工藝要求的大小，一般為 75～ 300mm，這個過程稱為放 肩。接著，突然提高拉速進(jìn)行轉(zhuǎn)肩操作，使肩部近似直角；然后，進(jìn)入等徑工藝，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規(guī)格大小的單晶柱 10 體。最后，待大部分硅溶液都已經(jīng)完成結(jié)晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體，稱為收尾工藝。這樣一個單晶拉制過程就基本完成，進(jìn)行一定的保溫冷卻后就可以取出。 直拉法單晶硅工藝過程 （ 1）工藝過程 －引晶：通過電阻加熱，將裝在石英坩堝中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔點的溫度，將籽晶浸入熔體，然后以一定速度向上提拉籽晶并同時旋轉(zhuǎn)引出晶體； －縮頸：生長一定長度 的縮小的細(xì)長頸的晶體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中； －放肩：將晶體控制到所需直徑； －等徑生長：根據(jù)熔體和單晶爐