單晶硅基本資料(編輯修改稿)
2025-07-26 12:04 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 場上有各類硅單晶生產(chǎn)設備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“TDR150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)設備，填補了國內(nèi)空白，初步改變了在晶體生長設備領(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。單晶硅和多晶硅的區(qū)別單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當熔融的單質(zhì)硅凝固時,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，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如在力學性質(zhì)、電學性質(zhì)等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。單晶硅可算得上是世界上最純凈的物質(zhì)了，一般的半導體器件要求硅的純度六個9以上。大規(guī)模集成電路的要求更高，硅的純度必須達到九個9。人們已經(jīng)能制造出純度為十二個9的單晶硅。單晶硅是電子計算機、自動控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學技術(shù)中不可缺少的基本材料。高純度硅在石英中提取，以單晶硅為例，提煉要經(jīng)過以下過程：石英砂一冶金級硅一提純和精煉一沉積多晶硅錠一單晶硅一硅片切割。冶金級硅的提煉并不難。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。這樣被還原出來的硅的純度約9899%，但半導體工業(yè)用硅還必須進行高度提純(電子級多晶硅純度要求11個9，太陽能電池級只要求6個9)。而在提純過程中，有一項“三氯氫硅還原法(西門子法)”的關(guān)鍵技術(shù)我國還沒有掌握，由于沒有這項技術(shù)，我國在提煉過程中70%以上的多晶硅都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環(huán)境污染非常嚴重。我國每年都從石英石中提取大量的工業(yè)硅，以1美元/公斤的價格出口到德國、美國和日本等國，而這些國家把工業(yè)硅加工成高純度的晶體硅材料，以4680美元/公斤的價格賣給我國的太陽能企業(yè)。得到高純度的多晶硅后，還要在單晶爐中熔煉成單晶硅，以后切片后供集成電路制造等用。單晶硅,多晶硅及非晶硅太陽能電池的區(qū)別單晶硅太陽電池：單晶硅太陽電池是當前開發(fā)得最快的一種太陽電池，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施。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應用的太陽電池等采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成片。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在硅片上形成P/FONTN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，單晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流，最后用框架和封裝材料進行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設計，可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣，亦稱太陽電池陣列。目前單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。用于宇宙空間站的還有高達50%以上的太陽能電池板[3]多晶硅太陽電池：單晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶硅太陽電池的研制。目前太陽電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100～300歐姆厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加人適量硼硅，放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應保溫約20分鐘，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術(shù)得提高，目前多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達到14%左右。非晶硅太陽電池：非晶硅太陽電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。制造非晶硅太陽電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空，充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷，用射頻電源加熱，使硅烷電離，形成等離子體。非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼，即可得到N型或P型的非晶
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