多晶硅生产工艺
多晶硅生产工艺
多晶硅生产工艺
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1．概述
硅是地球上含量最丰富的元素之～ ，约占地壳质量的25．8％ ，仅次于氧元素，居第二位。硅在地球上不存在单质状态，基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表现形态为各种各样的岩石，如花岗岩、石英岩等。
硅是一种半导体元素，元素符号为Si，位于元素周期表的第三周期第四主族，原子序数为14，原子量为28.0855。硅材料的原子密度为5.OOx1022／cm。，熔点为141 5℃，沸点为2355 ℃
它在常温(300K)下是具有灰色金属光泽的固体，属脆性材料。
硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅材料，是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。
多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。
非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列、而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。
通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有9个反映对称面、6条二次旋转轴、4条三次旋转轴和3条四次旋转轴，其全部对称要素为3L44LS6L 9PC。如果加压到1.5GPa，硅晶体就会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此时的晶体常数为0.6636nm。
硅材料是应用最广泛的元素半导体材料，具有其他元素不具有的一些特性，在室温下它的禁带宽度为1.1 2eV，其本征载流子浓度为1.45x10 D／cm。。硅材料具有典型的半导体电学性质。 硅材料的电阻率在10 ～1010Ω·cm 间，导电能力介于导体和绝缘体之间。
特性
其导电性受杂质、光、电、磁、热、温度等环境因素的影响明显。高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在10 Ω·cm以上。
P-N结构性。即N型硅材料和P型硅材料结合组成PN结，具有单向导电性等性质。这是所有硅半导体器件的基本结构。
光电特性。和其他半导体材料一样，硅材料组成p—N结后，在光的作用下能产生电流，如太阳能电池。
2．高纯多晶硅
目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少数发达国家所垄断。当前世界多晶硅的主要供应商有Hemlock
W acker M EMC ASiMi Tokuyama KomatsuMitsubishi、SEH等公司。
冶金级硅是制造半导体多晶硅的原料，它由石英砂(二氧化硅)在电弧炉中用碳还原而成。尽管二氧化硅矿石在自然界中随处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。
一般说来，要求矿石中二氧化硅的含量应在97％～98％以上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。冶金硅形成过程的化学反应式为：
冶金硅主要用于钢铁工业和铝合金工业，要求纯度为98％。纯度大于99％的冶金硅，则用于制备氯硅烷。
在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有99％ 以上的Si外，还含有铁(Fe)、铝(AI)、钙(Ca)、磷(P)、硼(B)等，它们的含量在百万分之几十个到百万分之一千个(摩尔分数)不等。
而半导体硅中的杂质含量应该降到10 (摩尔分数)的水平，太阳级硅中的杂质含量应降到10～6(摩尔分数)的水平。
3.冶金硅→半导体硅或太阳级硅
要把冶金硅变成半导体硅或太阳级硅，显然不可能在保持固态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过分馏与吸附等方法对气体提纯，然后再把高纯的硅源的气体通过化学气相沉积(CVD)的方法转化成为多晶硅。
生产制造高纯多晶硅的办法
主要有三大流派，即：
用SIMENS法(又称SiHCI3法)生产多晶硅棒；
用ASiMi法(又称SiH 法)生产多晶硅棒：
利用Sil硅源制造颗粒状多晶硅。
SIMENS（西门子）法
(SiHCI3法)制造多晶硅
该法于1954年推出，随即淘汰了当时使用的SiCI 锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。它的第一步，是在250～350℃的温度下让冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应；
第二步，是对SiHCI3进行分馏，在这一过程中可以把具有不同沸点的氯化物分离出来；第三步，是硅的沉积。多晶硅反应炉一般均采用单端开口的钟罩形式。通常多晶硅的沉积反应要进行200～300h，使沉积在硅桥上的硅棒直径达到150-200 m m。
ASiMi法(SiH法)
ASiMi法(SiH法)制造多晶硅
20世纪60年代末期，ASiMi公司（美国先进硅材料公司简称AsiMI（阿斯米公司）公司总部位于美国蒙大拿州比优特城。生产超高纯度多晶硅和硅烷气体，是世界最大的硅烷气体生产和销售商。）提出了用SiH 作为原料生产多晶硅。
利用SiH 原料制造多晶硅棒，一般使用金属钟型罩炉。在高温时，SiH 会分解产生Si与H2。此法的总生产成本要比SiHCI3法为高。
Ethyl公司的SiH 法
颗粒状多晶硅制造技术
此法起源于Ethyl公司(美国乙基公司作为全球知名的添加剂制造商，现跻身于全球三大石油添加剂制造商之列。乙基公司采用全球领先的添加剂技术，开发生产全系列的燃料油与润滑油添加剂。)的SiH 法。
1987年商业化的粒状多晶硅开始投入生产。该技术利用流体床反应炉将SiH 分解，而分解形成的硅则沉积在一些自由流动的微细晶种颗粒上，形成粒状多晶硅。由于晶体表面积很大，使得流体床反应炉的效率高于传统的Simens炉，因而其产品的生产成本较低。
多晶硅的生产工艺及设备
- 1 - 多晶硅的生产工艺及设备
多晶硅是一种重要的半导体材料，广泛应用于太阳能电池板、晶体管、集成电路等领域。多晶硅的生产工艺和设备对其品质和成本有着重要影响。
多晶硅的生产工艺主要包括：硅氧烷法、氯化氢法、硅烷法等。其中，硅氧烷法是目前应用最广泛的方法，其主要步骤包括：制备硅酸铝溶胶、加入硅粉、还原、热处理等。而氯化氢法和硅烷法则是较新的生产工艺，可以实现更高的产量和纯度。
多晶硅的生产设备主要包括：反应器、加热炉、气体输送系统、真空泵等。其中，反应器是多晶硅生产的核心设备，其结构和材料对多晶硅的质量和成本有着重要影响。加热炉则是用于对多晶硅进行热处理的设备，可以控制多晶硅的晶粒大小和晶格结构。
综上所述，多晶硅的生产工艺和设备是影响其品质和成本的重要因素，随着技术的不断进步和应用需求的增加，多晶硅的生产工艺和设备也在不断更新和改进。
多晶硅生产工艺
目录
第二章 多晶硅生产工艺 ................................................................................错误!未定义书签。
2.1 改良西门子法 ...................................................................................错误!未定义书签。
2.2 硅烷法 ...............................................................................................错误!未定义书签。
2.3 流化床法 ...........................................................................................错误!未定义书签。
2.4 生产SOG硅的新工艺技术 .............................................................错误!未定义书签。
2.4.1 冶金法 ....................................................................................错误!未定义书签。
2.4.2 气液沉积法 ............................................................................错误!未定义书签。
2.4.3 无氯技术 ................................................................................错误!未定义书签。
多晶硅生产工艺
多晶硅生产工艺
多晶硅被喻为光伏产业的“基石”，是硅产业链中极为重要的中间产品，也是集成电路和光伏产业最源头的环节，是发展电子信息产业和光伏产业的根基。
什么是多晶硅？
多晶硅是元素硅的一种形式。当熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格的形式排列成许多晶核。如果这些晶核生长成不同晶向的晶粒，这些晶粒结合结晶成多晶硅。
多晶硅是由冶金级硅粉经过化学和物理提纯制成的。多晶硅按纯度可分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。前者是生产太阳能光伏电池的基础材料；后者主要用于半导体行业和电子信息行业。我国多晶硅生产技术难度大，投资成本高，发展相当缓慢。所需的电子级多晶硅大部分依赖进口。
多晶硅生产工艺？
1、改良西门子法
改良西门子法是一种化学方法，首先利用冶金硅（纯度要求在99.5%以上）与氯化氢（HCl）合成产生便于提纯的三氯氢硅气体（SiHCl3，下文简称TCS），然后将 TCS 精馏提纯，最后通过还原反应和化学气相沉积（CVD）将高纯度的TCS转化为高纯度的多晶硅，还原后产生的尾气进行干法回收，实现了氢气和氯硅烷闭路循环利用。改良西门子法包括五个主要环节：即 SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离。
改良西门子法是目前生产多晶硅最为成熟、最容易扩建的工艺； 目前，全球80%以上的多晶硅企业采用改良西门子法（闭环式三氯氢硅还原法）生产多晶硅，该法生产电子级多晶硅具有一定的优势，其沉积速率较快，安全性能较好，但是相比硅烷法（SiH4分解法）具有能耗高、副产品量较高、投资成本大等缺点。
2、硅烷法
硅烷法制备多晶硅主要技术是将冶金级硅粉与四氯化硅和氢气转化为三氯氢硅，再将三氯氢硅通过精馏工序提纯及歧化反应，生成电子级硅烷气送至多晶硅反应器，通过化学气相沉积(CVD)生长成多晶态硅棒。硅烷法是利用硅烷热分解的方法制备多晶硅，反应温度低，原料气体硅烷易提纯，杂质含量可以得到严格的控制。
硅烷法多晶硅生产工艺
硅烷法多晶硅生产工艺
硅烷法多晶硅生产工艺，这个听上去是不是有点复杂？其实它就像是做一道大菜，虽然步骤多，但只要掌握了诀窍，就能轻松搞定。大家都知道，硅是我们日常生活中不可或缺的元素，尤其在电子和太阳能行业，简直是个明星。说到硅，硅烷就是它的好朋友，硅烷可不是什么新鲜玩意儿，简单来说，它就是硅的化合物，气体状态的那种，哎呀，听上去是不是有点儿科幻？但其实它在我们的生活中可用得上，甚至能帮我们制造出高纯度的多晶硅，咱们可要好好聊聊这个。
准备工作是关键。想象一下，厨师在下厨之前，得把食材准备好。硅烷法就是把硅烷气体送入一个大箱子，咱们把它叫做反应器。这个反应器就像是个巨大的烤箱，里面得保持合适的温度和压力。硅烷在高温下就会分解，硅的颗粒会慢慢沉淀在反应器的底部，形成多晶硅。就像是做糖一样，慢慢加热，糖分融化后就能凝结成一块块的糖。
反应过程中，得控制温度。太高了，硅烷可能会跑掉；太低了，反应又不彻底。这个过程得监控得死死的，咱们可是不能让这小家伙溜走。想象一下，调温就像调节火候，火候掌握得好，出来的菜才会好吃。这样，经过一段时间的反应，沉淀下来的硅就变成了一块块闪闪发光的晶体，想想都让人开心。
说到这里，有趣的是，硅烷法的经济性也很高。很多人可能会想，生产多晶硅那么复杂，成本一定不低吧？其实不然，硅烷的来源可广泛得很，价格也相对实惠。它的纯度高，后续加工也比较简单。这就像是用高质量的食材做出好菜，省下来的钱可真不少，没准还能省出点儿零花钱呢。
不过，生产多晶硅可不仅仅是反应这么简单。大家都知道，任何事情都有两面性，这个过程也不是没风险。硅烷虽然听上去温和，但它是一种易燃气体，稍不注意就可能
引发火灾。这就像咱们在厨房炒菜，油烟太多，火苗一不小心就上来了。所以，安全措施一定要到位，得装上监控设备，随时监测气体浓度，确保整个过程平稳进行。
再说了，反应结束后，咱们还得对这些多晶硅进行清洗和处理。这一步可不能省，毕竟，谁都不想吃到脏东西，对吧？所以，把沉淀下来的硅清洗干净，再经过一系列加工，才能真正变成高纯度的多晶硅，送到电子产品或者太阳能电池的生产线上。
多晶硅工艺流程
多晶硅工艺流程
《多晶硅工艺流程》
多晶硅是一种重要的半导体材料，被广泛应用于太阳能电池、集成电路等领域。多晶硅生产的工艺流程非常复杂，需要经过多个步骤才能得到高质量的多晶硅材料。以下是一个常见的多晶硅工艺流程：
1. 原料准备
多晶硅的主要原料是硅石和炭素材料，通常是石英砂和木炭。在工艺开始之前，这些原料需要经过严格的筛选和预处理，以确保它们的纯度和质量符合生产要求。
2. 熔炼
在熔炼工艺中，将预处理好的原料放入高温炉中进行加热，使其熔化成为硅铁合金。熔融状态下的硅铁合金会流出炉中并被冷却凝固，形成多晶硅晶块。
3. 晶棒拉制
凝固后的多晶硅晶块需要进行加热和拉制，以将其变成圆柱形的晶棒。这个过程需要非常精密的控制温度和拉力，以确保晶棒的质量和尺寸符合要求。
4. 检测和切割
晶棒拉制完成后，需要对其进行严格的检测，以确保其结构和纯度符合要求。然后将晶棒切割成薄片，用于制造太阳能电池或集成电路。
5. 清洗和精磨
切割后的多晶硅薄片需要进行清洗和精磨，以去除表面杂质和缺陷。这个步骤非常关键，因为薄片的表面质量直接影响了最终产品的性能和效率。
6. 最终生产
经过清洗和精磨后的多晶硅薄片可以进行最终生产，制造成太阳能电池、集成电路等产品。这些产品经过各种加工工艺后，最终成为市场上所需的高品质多晶硅制品。
总的来说，多晶硅的工艺流程非常复杂，需要严格的控制和精密的操作。只有经过严格的工艺流程和精心的工艺控制，才能生产出高质量的多晶硅产品。
多晶硅生产工艺—西门子法
西门子法生产多晶硅发展及展望
西门子法生产多晶硅的工艺流程可分为三步：一是SiHCl3制备，二是SiHCl3还原制取多晶硅，最后为尾气的回收利用。从图1、图2可见，左边的流床反应器即为由冶金级硅和HCl气体反应生成SiHCl3的部分；中间标有“高纯Si”的反应炉为制取多晶硅的部分；右边为尾气回收系统。其中，SiHCl3氢还原制取多晶硅部分最为重要。
西门子法至今已有50多年的历史，多年前即发展成为生产电子级多晶硅的主流技术，现在生产技术已相当成熟。这和它具有以下优点是密不可分的[20-22]：(1) SiHCl3比较安全，可以安全地运输，贮存数月仍能保持电子级纯度。当容器打开后不像SiH4或SiH2Cl2那样会燃烧或发生爆炸，即使燃烧，温度也不高，可以盖上。(2) 西门子法的有用沉积比为1×103，是硅烷法的100倍。(4) 在现有方法中它的沉积速率最高，达8～10μm/min。(5) 一次转换效率为5％～20％，在现有方法中也是最高的。不足之处在于沉积温度较高，在1100℃左右，所以电耗高，达120kWh/kg。
1.3.1 发展历程
1 第一代多晶硅生产流程[20]
适用于100t/a以下的小型硅厂，以HCl气体和冶金级硅为原料，在300℃和0.45MPa下催化生成SiHCl3。主要副产物为SiCl4和SiH2Cl2，含量分别为5.2％和1.4％，此外还有1.9％较大分子量的氯硅烷。生成物经沉降器去除固体颗粒，再经冷凝器进行汽液分离。分离出的H2压缩后返回流床反应器，液态产物SiCl4、SiH2Cl2、较大分子量的氯硅烷和SiHCl3则进入多级分馏塔进行分离，馏出物SiHCl3作为原料再次进入储罐。SiHCl3在常温下是液体，由H2携带进入钟罩反应器，在1100℃左右的硅芯上沉淀。反应为：
SiHCl3+H2→Si+HCl (1)
2SiHCl3→Si+SiCl4+2HCl (2)
单晶硅和多晶硅的制作工艺
单晶硅和多晶硅的制作工艺
单晶硅和多晶硅的制作工艺主要包括以下步骤：
单晶硅的制作工艺：
提纯：从石英砂中提炼出冶金级硅，并将其提纯和精炼，以去除杂质。
拉晶：使用单晶硅生长炉，通过直拉法生产单晶棒。
滚磨：采用外圆磨床滚磨外径，以获得精确的硅片直径。
切片：使用切割机将晶棒切割成一定厚度的薄晶片。
倒角：采用倒角机增加硅片边缘机械强度，减少颗粒沾污。
研磨：使用双面研磨机，去除硅片表面损伤层并达到微米级别的平整度。
抛光：使用抛光机将硅片表面达到纳米级别的平整度。
最终检测：使用检测设备来检测成品的尺寸和电学性能等是否达到预期。
多晶硅的制作工艺：
铸锭：由石英砂加工的冶金级硅精炼而来，先被铸成硅锭。
切片：将硅锭切割成片，从而加工成多晶硅硅片。
请注意，多晶硅也可作为生产单晶硅的原料。
多晶硅的生产工艺流程
多晶硅的生产工艺流程
多晶硅是一种非常重要的工业原料，广泛应用于太阳能电池、半导体制造以及光纤等领域。本文将介绍多晶硅的生产工艺流程。
1. 原材料准备
多晶硅的生产过程主要以硅矿石作为原材料。硅矿石经过选矿、破碎、磨粉等处理，得到粗硅粉。然后通过酸法或氧化法进行精炼，得到高纯度的硅。
2. 冶炼和净化
在冶炼过程中，将高纯度的硅加入冶炼炉中，与还原剂（通常为木炭或焦炭）反应生成气体。这种气体通过适当的温度和压力控制，使之凝结为多晶硅棒。
为了净化多晶硅，一般采用几个步骤：
• 液氯法：将多晶硅放入气体氯化炉中，在高温下与氯气反应生成气态氯化硅。通过凝结和沉淀，将杂质去除。
• 化学净化：将氯化硅与氢气或其他还原气体在适当的温度下反应，去除杂质元素。
• 浸渍法：将多晶硅浸泡在酸性或碱性溶液中，通过化学反应去除杂质。
3. 制备硅棒
将净化后的多晶硅通过熔融法或等离子体法进行制备硅棒。
• 熔融法：将多晶硅放入坩埚中，加热到高温使其熔化。然后通过拉拔或浇铸的方式，将熔融硅逐渐冷却成硅棒。
• 等离子体法：将净化后的多晶硅放入等离子体室中，加热到高温使其熔化。然后通过高频感应炉等设备，使熔融硅凝结成硅棒。
4. 切割
硅棒经过制备后，需要进行切割成片。通常采用钻孔法或线锯法进行切割。
• 钻孔法：将硅棒放入特定设备中，通过旋转式的刀具进行切割。
• 线锯法：将硅棒放入线锯设备中，通过高速旋转线锯进行切割。 5. 喷砂抛光
切割后的硅片表面粗糙，需要进行喷砂和抛光。喷砂可去除表面污染物，抛光可提高硅片的表面光洁度。
6. 完工
经过喷砂抛光后，多晶硅片经过检验和封装后即可作为成品出售。
结论
本文介绍了多晶硅的生产工艺流程。多晶硅的生产包括原材料准备、冶炼和净化、制备硅棒、切割以及喷砂抛光等过程。经过这些工艺步骤，高纯度的多晶硅可以被应用于太阳能电池、半导体制造等领域。以上就是多晶硅的生产工艺流程的详细介绍。
多晶硅工艺生产技术概述
多晶硅工艺生产技术概述
多晶硅（Polycrystalline silicon，简称Poly-Si）是一种用于太阳能电池、集成电路等领域的重要材料，其制备工艺主要包括气相沉积法和自然气化法两种。以下是对多晶硅工艺生产技术的概述。
气相沉积法是多晶硅的主要制备方法之一、该方法通过将硅源气体（通常是三氯化硅或硅氢化合物）与载气（通常是氢气）在高温下反应，使得硅在基片上沉积并形成多晶硅薄膜。具体工艺流程如下：
1.基片准备：选用高纯度的硅片作为基片，将其表面进行清洗和处理，以确保多晶硅的质量和纯度。
2.基片预处理：将基片放置在预处理炉中，进行预热处理，以去除背面的化学草胎和金属杂质。
3.多晶硅沉积：将预处理后的基片放置在反应炉中，与硅源气体和载气进行反应。在高温下，硅源气体分解生成硅原子，然后在基片上沉积形成多晶硅薄膜。同时，通过控制反应温度、气体流量和压力等参数，可以控制多晶硅薄膜的形貌和性质。
4.多晶硅退火：对沉积的多晶硅薄膜进行退火处理，以去除内部应力和晶界缺陷，提高材料的结晶度和电子迁移率。
5.薄膜处理：对退火后的多晶硅薄膜进行磨削和抛光处理，使其达到所需的厚度和光洁度。
通过气相沉积法制备的多晶硅具有较高的纯度和电子迁移率，适用于制备高性能的太阳能电池、集成电路等器件。 另一种多晶硅的制备方法是自然气化法。该方法利用金属硅与氢气在高温下反应生成氯化硅和硅，然后经过凝结和化学纯化等步骤得到多晶硅。具体工艺流程如下：
1.原料处理：将金属硅进行粉碎和清洗处理，以去除杂质和氧化物。
2.反应：将处理后的金属硅与氢气在高温下反应，生成氯化硅和硅。
3.凝结：通过控制反应温度和压力，使得氯化硅在凝固器中凝结成固体。
4.纯化：对凝结的氯化硅进行化学方法或物理方法的纯化，去除杂质和杂质。
5.氯化还原：将纯化后的氯化硅与金属硅在高温下反应，还原生成多晶硅。
6.处理：对得到的多晶硅进行处理，以去除残留的气体和杂质。
多晶硅制备技术
多晶硅制备技术
多晶硅是一种广泛应用于电子信息技术中的材料，同时也是太阳能电池板的重要组成部分。其制备技术的研究和开发已经成为现代科学技术发展的重要领域之一。本文将介绍多晶硅制备技术的概述，包括硅片材料的来源、制备工艺和制备方法等方面。
1. 硅片材料的来源
多晶硅的主要原料是硅。硅是地球上含量最丰富的元素之一，它占据了地壳中22.6%的比例。硅可以从硅石、硅胶、硅矿等多种原料中提取。硅片材料来源有多种方式，其中最常见的是通过硅石的还原法生产。硅石是一种非金属矿石，含有95~98%的二氧化硅硅石经过高炉还原，硅化氧化物分解为硅分子，进而得到锭型硅。锭型硅经过加热以及液态硅制备成多晶硅。
2. 制备工艺
多晶硅制备主要包括单晶生长法和多晶制备法两大类工艺。单晶生长法即通过外部的能量输入使晶体原地长大，由较小的晶体经过重结晶处理后获得单晶。而多晶制备法主要是通过多晶硅提纯方式来实现制备。多晶硅制备工艺的关键是通过一系列的晶体生长和纯化处理，使晶体中杂质浓度达到非常低的水平，并保持晶体中硅原子的有序排列，达到高无定形杂质掺杂度。
3. 制备方法
目前多晶硅制备的主要方法有溶液热原位合成法、等离子体增强物化气相沉积法、原子层沉积法、加热反应法、微波辐射法等。其中，等离子体增强物化气相沉积法是一种比较常用的制备方法。这种方法是将加热硅源和某种载气引入到高频等离子体反应室中，利用等离子体的化学反应将硅源沉积在衬底上。该法具有可制备大面积、高均质性和较高生长速率等优点。
4. 发展趋势
随着科技的不断进步和对硅的功效认识越来越深入，多晶硅制备技术也在不断地发展，越来越得到重视。目前，随着新型太阳能电池领域的兴起，对多晶硅制备工艺的要求也变得更加严格。未来，多晶硅制备技术将更加注重对产业化的应用价值的开发。同时也会逐渐向着智能化、集成化、绿色化的方向发展。
总之，随着科学技术的不断发展，多晶硅制备技术充满着广泛的发展前景。在今后的研究和开发过程中，我们需要加强基础研究的力量，不断提高多晶硅制备的效率和质量，为科技领域的发展和推广做出更大的贡献。