硅技术的发展和应用

硅技术的发展和应用

硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始，硅材料就取代了原有锗材料。硅材料―因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。

一、硅的概述

硅在自然界中以化合物的形式存在，仅次于氧元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中.原子叙述为1４，相对原子质量为28.09。有无定性和晶体硅两种同素异形体、属于元素周期表上IV A族的类金属，因此可以作为半导体.

晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格。晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质.硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等。单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等.硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体，化学性质非常稳定在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

单晶硅

单晶硅，是硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料，用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。

2.1 单晶硅的制备

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

加工工艺：加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长

（1）加料：将多晶硅原料及杂质石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼、磷、锑、砷；

（2）熔化：加完多晶硅原料于石英坩锅内后，长晶必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化；

（3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生错位，这些错位必须利用缩颈生长使之消失；

（4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大所需的大小；

（5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的分布即称为等径部分。单晶硅取自于等径部分；

（6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现错位与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。

2.2 单晶硅的应用

单晶硅可以应用于：①高纯的单晶硅是重要的半导体材料，可做成太阳能电池，二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU）都是用硅做的原材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料也可以用单晶硅制作。③光导纤维通信。④性能优异的硅有机化合物。

2.3 面临的挑战

（1）缺乏原料和硅片标准；（2）基本没有热场设计能力，拉晶工艺能耗高；（3）缺乏对超薄片检测的仪器和检测标准；（4）多晶及辅材如石墨，石英基本靠进口，成本大。

2.4 研究趋势

日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低。中国消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现趋势为：微型化，国际化及集团化，硅基材料，制造技术升级。

三、多晶硅

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

3.1 多晶硅的制备

目前有诸多工艺技术制备多晶硅，如改良西门子法、硅烷法、冶金法、流化床法、碳热还原反应法、热线法等。目前多晶硅的生产主要采用两种途径，即物理法或化学法。改良西门子法、硅烷热分解法、流化床法或其改进技术工艺是目前各生产厂家主要采用的3种技术工艺；其它化学方法都有较大的缺陷，如气液沉积法中存在产品中碳含量高的问题；物理法普遍存在产品纯度不高，产量不高的问题。

3.2 多晶硅的应用

高纯多晶硅是最重要的电子信息基础材料，被视为“微电子大厦的基石”。多晶硅的用途非常广泛，除IT产业外，它还主要运用于太阳能光伏电池板和可控硅元件的生产。由于硅材料的工艺成熟、质量好、原料丰富、价格相对较低，因而在未来的50年里，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息和光伏产业主要原材料。在IT产业中，多晶硅用于生产单晶硅。多晶硅的另一大用途是直接用于制造太阳能光伏电池板，或加工成单晶硅后再用于制造光伏电池板。目前，硅光伏电池占世界光伏电池总产量的98%以上，其中多晶硅电池约占55%，单晶硅电池约占36%，其它硅材料电池约占70%。由于多晶硅光伏电池的制造成本较低，光电转换效率较高(接近20%)，因而得到快速发展。

3.3 发展问题

（1）产生大量污染。多晶硅是高污染的项目，中国多数多晶硅企业环保不完全达标。

（2）产业化差距。同国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距主要表现在以下几个方面：

①供需矛盾。2005年中国太阳能用单晶硅企业开工率在20%－30%，半导体用单晶硅企业开工率在80%－90%，无法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍牢牢掌握在美、日、德国的少数几个生产厂商中，严重制约中国产业发展。

②生产规模小。现在公认的最小经济规模为1000吨/年，最佳经济规模在2500吨/年，而中国现阶段多晶硅生产企业离此规模仍有较大的距离。

③工艺设备落后。同类产品物料和电力消耗过大，三废问题多，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗能耗高出1倍以上，产品成本缺乏竞争力。

四、硅技术的发展

结论：在过去几十年中，硅的单晶体和多晶硅等在我们的生活领域和科学发展及航天等领域的发展占据着十分重要的地位。再一步硅的开发和技术的发展需要我们技术工作人员的创新和艰苦奋斗的精神。