• 單晶硅和多晶硅的區別

    2016-10-20
    概述

    ??? 當熔融單質硅凝固時,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晶粒,則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同晶粒,則形成多晶硅。

    ??? 多晶硅與單晶硅差異主要表現在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面,多晶硅均不如單晶硅。

    單晶硅可算得上世界上最純凈物質了,一般半導體器件要求硅純度六個9以上。大規模集成電路要求更高,硅純度必須達到九個9。目前,人們已經能制造出純度為十二個9 單晶硅。
    生產工藝
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    多晶硅生產工藝主要由高純石英(經高溫焦碳還原)工業硅(酸洗)硅粉(加HCL→SiHCL3(經過粗餾精餾)高純SiHCL3(和H2反應CVD工藝)高純多晶硅 。
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    單晶硅生產工藝主要有兩種,一種直拉法,一種區熔法。工藝介紹也可以在網上找得到。
    單晶硅
    英文名: Monocrystalline silicon
    分子式: Si
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    單晶體。具有基本完整點陣結構晶體。不同方向具有不同性質,一種良好半導材料。

    純度要求達到99.9999%,甚至達到99.9999999%以上。用于制造半導體器件、太陽能電池等。

    用高純度多晶硅在單晶爐內拉制而成。
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    單晶硅具有準金屬物理性質,有較弱導電性,其電導率隨溫度升高而增加,有顯著半導電性。超純單晶硅本征半導體。在超純單晶硅中摻入微量A族元素,如硼可提高其導電程度,而形成p型硅半導體;如摻入微量A族元素,如磷或砷也可提高導電程度,形成n型硅半導體。

    單晶硅制法通常先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

    單晶硅主要用于制作半導體元件。
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    用途: 制造半導體硅器件原料,用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關器件等
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    單晶硅一種比較活潑非金屬元素,晶體材料重要組成部分,處于新材料發展前沿。其主要用途用作半導體材料和利用太陽能光伏發電、供熱等。由于太陽能具有清潔、環保、方便等諸多優勢,近三十年來,太陽能利用技術在研究開發、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展,成為世界快速、穩定發展新興產業之一。
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    單晶硅建設項目具有巨大市場和廣闊發展空間。在地殼中含量達25.8%硅元素,為單晶硅生產提供了取之不盡源泉。
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    近年來,各種晶體材料,特別以單晶硅為代表高科技附加值材料及其相關高技術產業發展,成為當代信息技術產業支柱,并使信息產業成為全球經濟發展中增長最快先導產業。單晶硅作為一種極具潛能,亟待開發利用高科技資源,正引起越來越多關注和重視。

    單晶硅可算得上世界上最純凈物質了,一般半導體器件要求硅純度六個9以上。大規模集成電路要求更高,硅純度必須達到九個9。目前,人們已經能制造出純度為十二個9 單晶硅。
    多晶硅
    英文名:polycrystalline silicon
    ??? 性質:灰色金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410。沸點2355。溶于氫氟酸和硝酸混酸中,不溶于水、硝酸和鹽酸。硬度介于鍺和石英之間,室溫下質脆,切割時易碎裂。加熱至800以上即有延性,1300時顯出明顯變形。常溫下不活潑,高溫下與氧、氮、硫等反應。高溫熔融狀態下,具有較大化學活潑性,能與幾乎任何材料作用。具有半導體性質,極為重要優良半導體材料,但微量雜質即可大大影響其導電性。

    電子工業中廣泛用于制造半導體收音機、錄音機、電冰箱、彩電、錄像機、電子計算機等基礎材料。由干燥硅粉與干燥氯化氫氣體在一定條件下氯化,再經冷凝、精餾、還原而得。
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    多晶硅單質硅一種形態。熔融單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同晶粒,則這些晶粒結合起來,就結晶成多晶硅。

    多晶硅可作拉制單晶硅原料,多晶硅與單晶硅差異主要表現在物理性質方面。例如,在力學性質、光學性質和熱學性質各向異性方面,遠不如單晶硅明顯;在電學性質方面,多晶硅晶體導電性也遠不如單晶硅顯著,甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面,兩者差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區別,但真正鑒別須通過分析測定晶體晶面方向、導電類型和電阻率等。
    國際多晶硅產業概況
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    多晶硅材料生產技術長期以來掌握在美、日、德等3個國家7個公司10家工廠手中,形成技術封鎖、市場壟斷狀況。
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    多晶硅需求主要來自于半導體和太陽能電池。按純度要求不同,分為電子級和太陽能級。其中,用于電子級多晶硅占55%左右,太陽能級多晶硅占45%,隨著光伏產業迅猛發展,太陽能電池對多晶硅需求量增長速度高于半導體多晶硅發展,預計到2008年太陽能多晶硅需求量將超過電子級多晶硅。?
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    世界多晶硅主要生產企業有日本Tokuyama、三菱、住友公司、美國Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司,德國Wacker公司等,其年產能絕大部分在1000噸以上,其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個公司生產規模最大,年生產能力均在30005000噸。
    國際多晶硅主要技術特征有以下兩點:
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    1)多種生產工藝路線并存,產業化技術封鎖、壟斷局面不會改變。由于各多晶硅生產工廠所用主輔原料不盡相同,因此生產工藝技術不同;進而對應多晶硅產品技術經濟指標、產品質量指標、用途、產品檢測方法、過程安全等方面也存在差異,各有技術特點和技術秘密,總來說,目前國際上多晶硅生產主要傳統工藝有:改良西門子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產多晶硅產能約占世界總產能80%,短期內產業化技術壟斷封鎖局面不會改變。
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    2)新一代低成本多晶硅工藝技術研究空前活躍。除了傳統工藝(電子級和太陽能級兼容)及技術升級外,還涌現出了幾種專門生產太陽能級多晶硅新工藝技術,主要有:改良西門子法低價格工藝;冶金法從金屬硅中提取高純度硅;高純度SiO2直接制??;熔融析出法(VLDVaper to liquid deposition);還原或熱分解工藝;無氯工藝技術,AlSi溶體低溫制備太陽能級硅;熔鹽電解法等。

    國內多晶硅產業概況
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    我國集成電路增長,硅片生產和太陽能電池產業發展,大大帶動多晶硅材料增長。
    太陽能電池用多晶硅按每生產1MW多晶硅太陽能電池需要1112噸多晶硅計算,我國2004年多晶、單晶太陽能電池產量為48.45MW,多晶硅用量為678噸左右,而實際產能已達70MW左右,多晶硅缺口達250噸以上。到2005年底國內太陽能電池產能達到300MW,實際能形成產量約為110MW,需要多晶硅1400噸左右,預測到2010年太陽能電池產量達300MW,需要多晶硅保守估計約4200噸,因此太陽能電池生產將大大帶動多晶硅需求增加,見表3。
    ??? 2005
    年中國太陽能電池用單晶硅企業開工率在20%-30%,半導體用單晶硅企業開工率在80%-90%,都不能滿負荷生產,主要原因多晶硅供給量不足所造成。預計多晶硅生產企業擴產后產量,仍然滿足不了快速增長需要。
    ??? 2005
    年全球太陽能電池用多晶硅供應量約為10448噸,而2005年太陽能用硅材料需求量約為22881噸,如果太陽能電池用多晶硅需求量按占總需求量65%計,則太陽能電池用多晶硅需求量約為14873噸,這樣全球太陽能電池用多晶硅市場缺口達4424噸。2005年半導體用多晶硅短缺6000噸,加上太陽能用多晶硅缺口4424噸,合計10424噸,供給嚴重不足,導致全球多晶硅價格上漲。目前多晶硅市場持續升溫,導致各生產廠商紛紛列出了擴產計劃,根據來自國際光伏組織統計,至2008年全球多晶硅產能將達49550噸,至2010年將達58800噸。預計到2010年全球多晶硅需求量將達85000噸,缺口26200噸。從長遠來看,考慮到未來石化能源短缺和各國對太陽能產業大力支持,需求將持續增長。根據歐洲光伏工業聯合會2010年各國光伏產業發展計劃預計,屆時全球光伏產量將達到15GW1GW=1000MW),設想其中60%使用多晶硅為原材料,如果技術進步每MW消耗10噸多晶硅,保守估計全球至少需要太陽能多晶硅5萬噸以上。
    ???
    我國多晶硅工業起步于五、六十年代中期,生產廠多達20余家,生由于生產技術難度大,生產規模小,工藝技術落后,環境污染嚴重,耗能大,成本高,絕大部分企業虧損而相繼停產和轉產,到1996年僅剩下四家,即峨眉半導體材料廠(所),洛陽單晶硅廠、天原化工廠和棱光實業公司,合計當年產量為102.2噸,產能與生產技術都與國外有較大差距。
    1995
    年后,棱光實業公司和重慶天原化工廠相繼停產?,F在國內主要多晶硅生產廠商有洛陽中硅高科技公司、四川峨眉半導體廠和四川新光硅業公司、到2005年底,洛陽中硅高科技公司300噸生產線已正式投產,二期擴建1000噸多晶硅生產線也同時破土動工,河南省計劃將其擴建到3000噸規模,建成國內最大硅產業基地。四川峨眉半導體材料廠(所)國內最早擁有多晶硅生產技術企業,2005年太陽能電池用戶投資,擴產220噸多晶硅生產線將于2006年上半年投產,四川新光硅業公司實施1000噸多晶硅生產線正在加快建設,計劃在2006年底投產,此外,云南、揚州、上海、黑河、錦州、青海、內蒙、宜昌、廣西、重慶、遼寧、邯鄲、保定、浙江等地也有建生產線設想。
    行業發展主要問題
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    同國際先進水平相比,國內多晶硅生產企業在產業化方面差距主要表現在以下幾個方面:
    ??? 1
    、產能低,供需矛盾突出。2005年中國太陽能用單晶硅企業開工率在20%-30%,半導體用單晶硅企業開工率在80%-90%,無法實現滿負荷生產,多晶硅技術和市場仍牢牢掌握在美、日、德國少數幾個生產廠商中,嚴重制約我國產業發展。
    ??? 2
    、生產規模小、現在公認最小經濟規模為1000/年,最佳經濟規模在2500/年,而我國現階段多晶硅生產企業離此規模仍有較大距離。
    ??? 3
    、工藝設備落后,同類產品物料和電力消耗過大,三廢問題多,與國際水平相比,國內多晶硅生產物耗能耗高出1倍以上,產品成本缺乏競爭力。
    ??? 4
    、千噸級工藝和設備技術可靠性、先進性、成熟性以及各子系統相互匹配性都有待生產運行驗證,并需要進一步完善和改進。
    ??? 5
    、國內多晶硅生產企業技術創新能力不強,基礎研究資金投入太少,尤其非標設備研發制造能力差。
    ??? 6
    、地方政府和企業項目投資多晶硅項目,存在低水平重復建設隱憂。
    行業發展對策與建議
    1
    、發展壯大我國多晶硅產業市場條件已經基本具備、時機已經成熟,國家相關部門加大對多晶硅產業技術研發,科技創新、工藝完善、項目建設支持力度,抓住有利時機發展壯大我國多晶硅產業。
    2
    、支持最具條件改良西門子法共性技術實施,加快突破千噸級多晶硅產業化關鍵技術,形成從材料生產工藝、裝備、自動控制、回收循環利用多晶硅產業化生產線,材料性能接近國際同類產品指標;建成節能、低耗、環保、循環、經濟多晶硅材料生產體系,提高我們多晶硅在國際上競爭力。
    3
    、依托高校以及研究院所,加強新一代低成本工藝技術基礎性及前瞻性研究,建立低成本太陽能及多晶硅研究開發知識及技術創新體系,獲得具有自主知識產權生產工藝和技術。
    4
    、政府主管部門加強宏觀調控與行業管理,避免低水平項目重復投資建設,保證產業有序、可持續發展。

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