【文章內容簡介】 ： 2021年以前 ， 全球太陽能電池的總產量尚處在500~700MW時 ， 大約僅消耗世界半導體級硅材料總量的 1/5左右 ， 尚可維持 。 2021年全球太陽能電池的總產量首次超過 1000MW（ )， 2021年超過 2021MW（ )， 這將消耗大約 2萬噸以上的硅材料 ， 這就超過了全球總產量的 1/2， 致使全球半導體硅材料的供需矛盾一下子突顯出來 ， 考慮到一般多晶硅工廠的擴建大致需要 14個月以上 ， 所以近 3年里這種供需矛盾難于完全緩解 單晶硅的制備： 根據單晶硅的使用目的不同 ， 單晶硅的制備工藝也不相同 ， 主要的制備工藝有兩種： （ 1） 區(qū)域熔煉法 （ 簡稱區(qū)熔法或 FZ法 ， Float Zone） 。 這是制備高純度 ， 高阻單晶的方法 。 它是利用雜質在其固體和液體中分凝系數的差異 ， 通過在真空下經數次乃至數十次的區(qū)域熔煉提純 ， 然后成晶而制得 。 20 20 半導體硅材料的制備 ： 區(qū)熔單晶的電阻率大多在上千乃至上萬 Ωcm， 主要用作制備高能粒子探測器 ， SCR及大功率整流元件 ， FZ單晶的市場價大多在 3000 /kg以上 ， 有的甚至達上萬元 /kg FZ硅生產工藝示意圖如下： 21 21 半導體硅材料的制備 ： （ 2） 切克勞斯基法 （ 簡稱直拉法 。 CZ法 ， Czochralski） 這是波蘭科學家 Czochralski于 1918年發(fā)明的單晶生長方法 ,它是制備大規(guī)模集成電路 ， 普通二極管和太陽能電池單晶使用的方法 。 其制備工藝如下： 集成電路用 CZ單晶的一次成品率大約在 55— 60%， 正常狀態(tài)下市場價為 110130USD/Kg。 太陽能級 CZ單晶的一次成品率可達 65— 70%， 正狀態(tài)下市場價在 70— 90 USD/Kg。 22 22 半導體硅材料的制備 ： CZ硅生長工藝示意圖： 23 23 四、半導體硅材料的加工 幾乎所有的半導體器件廠家使用的硅材料都是片狀 ， 這就需要把拉制成錠狀的硅加工成片狀 ， 我們這里所講的硅材料加工 ， 就是指由 Ingot —— wafer的過程 。 硅片的加工大體包括：硅棒外徑滾磨 （ 含定向 ） 、 硅切片 、 倒角 、 硅磨片 、硅拋光等幾個過程 ， 現分述如下： ? ： 是將拉制的具有 4條棱線 ｛ 是 （ 100） 晶向 ｝ 的單晶或 3條棱線 ｛ 是 （ 111） 晶向 ｝ 的單晶經滾磨制得完全等徑的單晶錠。 ? ： 硅切片是將單晶硅圓錠加工成硅圓片的過程 ， 通常使用的設備有兩種： 內圓切片機：一般加工直徑 ≤6″的硅單晶錠 。 片厚 300—400μm， 刀口厚度在 300— 350μm， 加工損失在 50%以上 。 用這種設備加工的硅切片一般有劃道 、 崩邊 、 且平整度較差 ， 往往需要研磨后才可使用 。 24 24 半導體硅材料的加工 ： 線切割機：一般用于加工直徑 ≥6″的單晶 （ 如 8″、 12″等 ） ,片厚最薄可達 200μ— 250μ， 刀口厚度 ≤200μ， 加工損失在 40%左右 ， 較內圓切割機可多出 5~10%左右的硅片 ， 用這種設備加工的硅切片表面光滑 ， 平整度好 ， 不用經過磨片工序即可投入太陽電池片的生產 。 但線切割機較為昂貴 ， 單機價格是內圓切片的 8— 10倍 。 ? ： 一般是雙面磨 ， 用金剛砂作原料 ， 去除厚度在 50— 100μ時大約需要 15— 20分鐘 ， 用磨片的方法可去除硅片表面的劃痕 ， 污漬和圖形等 ， 可提高硅片表面平整度 。 凡用內圓切片機加工的硅片一般都需要進行研磨 。 ? ： 是將硅切片的邊沿毛刺 、 崩邊等倒掉 。 ? ： 這是只有大規(guī)模集成電路工業(yè)才用的硅片 ， 這里不述及 。 25 25 五、半導體硅材料的電性能特點 前面已經提到 ， 半導體材料的導電性能介于導體和絕緣體之間 ， 也就是說它的電阻率相對較大 。 一種材料的電阻率是它導電率的倒數 ， 電阻率的單位是： Ωcm， 它表示單位面積 、 單位長度下的電阻值 。 硅材料的電性能有以下三個顯著特點： 一是它對溫度的變化十分靈敏：一般來說 ， 金屬導體或絕緣體的電阻率隨溫度的變化很小 ， 甚至沒有變化 。如金屬銅的溫度每升高 100℃ ， 其電阻率僅增加 40%。而半導體的電阻率隨溫度的變化都很顯著 ， 如鍺的溫度從 20℃ 升至 30℃ 時 ， 其電阻率就要降低 50%左右 。 這是由于當溫度升高時 ， 由于熱激發(fā)而使載流子濃度大大增加 ， 從而導致電導性能大幅度提高 ， 而電阻率大幅度下降 。 26 26 半導體硅材料的電性能特點： 二是微量雜質的存在對電阻率的影響十分顯著：一般在金屬導體中含有少量雜質時則測不出電阻率有多大變化。 但如果在純凈的半導體材料中摻入少量雜質 ， 卻可以引起電阻率的很大變化 ， 如在純硅中加入百萬分之一的硼 （106） ， 硅的電阻率就會從 103Ωcm下降至4 103Ωcm。 也就是電阻率下降了近一百萬倍 。 這是因為雜質的加入提供了大量的載流子 ， 從而大大增加了半導體的導電性能 。 三是半導體材料的電阻率在受光照時會改變其數值的大?。航饘賹w或絕緣體的電阻率一般不受光照的影響 。 但是半導體的電阻率在適當的光照下都會發(fā)生明顯的變化 ，這是因為半導體材料原子核外的價電子吸收光子的能量后就可能脫離原子核的束縛而成為自由電子 ， 從而增加體內的載流子濃度 ， 使之電阻率下降 。 綜上所述 ， 半導體的電阻率數值對溫度 、 雜質和光照三個外部條件變化有較高的敏感性 。 27 27 六、半導體硅材料主要性能參數 ? ： （ 本征半導體 、 N型半導體 、 P型半導體 ） 本征硅：習慣上我們把絕對純凈而沒有缺陷的半導體叫作本征半導體 。 通常純凈而沒有缺陷的硅晶體叫作本征硅 。 在本征硅中 ， 導電的電子或空穴都是由于其價鍵破裂而產生的 ， 這時的自由電子濃度 n和空穴的濃度 p相等 ， 這個濃度稱為本征載流子濃度 ni， 室溫下硅的本征載流子濃度為 1010/cm3左右 。 根據制作不同器件的不同需要 ， 我們在本征硅中摻入一定量的某種雜質就得到摻雜的硅 。 N型硅：若在純硅中摻入 V族元素 （ 如磷 、 砷