有关半导体,单晶硅的

中文别名：硅单晶

英文名： Monocrystalline silicon

分子式： Si

分子量：28.086

CAS 号：7440-21-3

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，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。

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。

纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。

用于制造半导体器件、太阳能电池等。

用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。

单晶硅熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。

超纯的单晶硅是本征半导体。

在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。

单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶硅主要用于制作半导体元件。

用途： 是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等

现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。

直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。

但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。

单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。

直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。

直拉法伸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。

目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。

区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。

目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。

外延片主要用于集成电路领域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。

在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。

存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。

逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。

硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。

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，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。

中国消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。

但我国科技人员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅，标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。

目前，全世界单晶硅的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。

未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势：

1，单晶硅产品向300mm过渡，大直径化趋势明显：

随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。

目前，硅片主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～450mm。

据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。

Gartner发布的对硅片需求的5年预测表明，全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。

日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅片产量。

据不完全统计，全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条，主要分布在美国和我国台湾等，仅我国台湾就有20多条生产线，其次是日、韩、新及欧洲。

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世界半导体设备及材料协会（SEMI）的调查显示，2004年和2005年，在所有的硅片生产设备中，投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%，投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元，发展十分迅猛。

而在1996年时，这一比重还仅仅是零。

2、硅材料工业发展日趋国际化，集团化，生产高度集中：

研发及建厂成本的日渐增高，加上现有行销与品牌的优势，使得硅材料产业形成“大者恒大”的局面，少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。

上世纪90年代末，日本、德国和韩国（主要是日、德两国）资本控制的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。

根据SEMI提供的2002年世界硅材料生产商的市场份额显示，Shisu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%，垄断地位已经形成。

3、硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向：

随着光电子和通信产业的发展，硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向。

硅基材料是在常规硅材料上制作的，是常规硅材料的发展和延续，其器件工艺与硅工艺相容。

主要的硅基材料包括SOI（绝缘体上硅）、GeSi和应力硅。

目前SOI技术已开始在世界上被广泛使用，SOI材料约占整个半导体材料市场的30%左右，预计到2010年将占到50%左右的市场。

Soitec公司（世界最大的SOI生产商）的2000年～2010年SOI市场预测以及2005年各尺寸SOI硅片比重预测了产业的发展前景。

4、硅片制造技术进一步升级：半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺目前世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺，使制片技术取得明显进展。

在日本，Φ200mm硅片已有50%采用线切割机进行切片，不但能提高硅片质量，而且可使切割损失减少10%。

日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型，并向0.13μm以下的微细化发展。

另外，最新尖端技术的导入，SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。

对此，硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资，针对设计规则的进一步微细化，还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等，并对设备进行了改进。

硅是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自然界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。

硅的原子价主要为4价，其次为2价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。

硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。

晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料。

多晶硅材料是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。

[编辑本段]单晶硅市场发展概况

2007年，中国市场上有各类硅单晶生长设备1500余台，分布在70余家生产企业。

2007年5月24日，国家“863”计划超大规模集成电路（IC）配套材料重大专项总体组在北京组织专家对西安理工大学和北京有色金属研究总院承担的“TDR-150型单晶炉（12英寸MCZ综合系统）”完成了验收。

这标志着拥有自主知识产权的大尺寸集成电路与太阳能用硅单晶生长设备，在我国首次研制成功。

这项产品使中国能够开发具有自主知识产权的关键制造技术与单晶炉生产设备，填补了国内空白，初步改变了在晶体生长设备领域研发制造受制于人的局面。

硅材料市场前景广阔，中国硅单晶的产量、销售收入近几年递增较快，以中小尺寸为主的硅片生产已成为国际公认的事实，为世界和中国集成电路、半导体分立器件和光伏太阳能电池产业的发展做出了较大的贡献。

1、半导体芯片：在半导体片材上进行浸蚀，布线，制成的能实现某种功能的半导体器件。不只是硅芯片，常见的还包括砷化镓（砷化镓有毒，所以一些劣质电路板不要好奇分解它），锗等半导体材料。半导体也像汽车有潮流。二十世纪七十年代，因特尔等美国企业在动态随机存取内存(D-RAM)市场占上风。但由于大型计算机的出现，需要高性能D-RAM的二十世纪八十年代，日本企业名列前茅。

2、半导体芯片的制造材料：为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的位错（dislocation）、孪晶面（twins）或是堆垛层错（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体器件而言，材料晶格的缺陷（晶体缺陷）通常是影响元件性能的主因。目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为柴可拉斯基法（钢铁场常见工法）。这种工艺将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

3、应用：半导体芯片的发明是二十世纪的一项创举，它开创了信息时代的先河。大家都知道“因特网”和“计算机”是当今最流行的名词。计算机已经成为我们日常生活中的必备工具，那请问一句“你的计算机CPU用的是什么芯片呢？”是“Intel”，还是“AMD”呢？其实无论是“Intel”还是“AMD”，它们在本质上一样，都属于半导体芯片。

自然界的物质按导电能力可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体材料是指室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电阻率一般在10-5～107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大；若掺入活性杂质或用光、射线辐照，可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

1947年发明晶体管以后，半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展，并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。

不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。

此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。

半导体材料的种类

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃娶精馏等，使用最多的是精馏。

由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80％的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。

水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。

工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带（band）宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入传导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体，只有极少数的载子具有足够的能量进入传导带。因此，对于一个在相同电场下的纯质半导体（intrinsicsemiconductor）和绝缘体会有类似的电特性，不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味著半导体的导电性更容易受到控制而改变。

纯质半导体的电气特性可以藉由植入杂质的过程而永久改变，这个过程通常称为“掺杂”（doping）。依照掺杂所使用的杂质不同，掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个电洞，而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高，半导体也可能会表现出如同金属导体般的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体接面处会有一个内建电场（built-inelectricfield），内建电场和许多半导体元件的 *** 作原理息息相关。

除了藉由掺杂的过程永久改变电性外，半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性，很适合用来作为电路元件，例如晶体管。晶体管属于主动式的（有源）半导体元件（activesemiconductordevices），当主动元件和被动式的（无源）半导体元件（passivesemiconductordevices）如电阻器（resistor）或是电容器（capacitor）组合起来时，可以用来设计各式各样的集成电路产品，例如微处理器。

当电子从传导带掉回价带时，减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管（light-emittingdiode,LED）以及半导体激光（semiconductorlaser）的基础，在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地，半导体也可以吸收光子，透过光电效应而激发出在价带的电子，产生电讯号。这即是光探测器（photodetector）的来源，在光纤通讯（fiber-opticcommunications）或是太阳能电池（solarcell）的领域是最重要的元件。

半导体有可能是单一元素组成，例如硅。也可以是两种或是多种元素的化合物（compound），常见的化合物半导体有砷化镓（galliumarsenide,GaAs）或是磷化铝铟镓（aluminiumgalliumindiumphosphide,AlGaInP）等。合金（alloy）也是半导体材料的来源之一，如锗硅（silicongermanium,SiGe）或是砷化镓铝（aluminiumgalliumarsenide,AlGaAs）等。

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