单晶和多晶区别.docx

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单晶和多晶区别

一,什么是多晶硅？

根源：

时间：

07-07-1408:

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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结时，硅原子以金刚石晶格形态摆列成很多晶核，如这些晶核长成晶面取向不一样的晶粒，那么这些晶粒联合起来，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别主要表此刻物理性质方面。

比如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅显然；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅明显，甚至于几乎没有导电性。

在化学活性方面，二者的差别极小。

多晶硅和单晶硅可从外观上加以差别，但真实的鉴识须经过剖析测定晶体的晶面方向、导电种类和电阻率等。

一、国际多晶硅家产概略

目前，晶体硅资料〔包含多晶硅和单晶硅〕是最主要的光伏资料，其市场占

有率在90％以上,并且在此后相当长的一段期间也依旧是太阳能电池的主流材

料。

多晶硅资料的生产技术长久以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的

10家工厂手中，形成技术封闭、市场垄断的情况。

多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。

按纯度要求不一样，分为电子级和太阳能级。

此中，用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，跟着光伏家产的迅猛展开，太阳能电池对多晶硅需求量的增添速度高于半导体多晶硅的展开，估计到2021年太阳能多晶硅的需求量将超出电子级多晶硅。

1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就靠近1200MW，在短短的10年里就增添了17倍。

专家展望太阳能光伏家产在二十一世纪前半期

将超出核电成为最重要的根基能源之一，世界各国太阳能电池产量和构成比率见

表1。

据悉，美国能源部方案到2021年累计安装容量4600MW，日本方案2021年

抵达5000MW，欧盟方案抵达6900MW，估计2021年世界累计安装量起码18000MW。

从上述的推断剖析，至2021年太阳能电池用多晶硅起码在30000吨以上，

表2给出了世界太阳能多晶硅工序的展望。

据外国资料剖析报导，世界多晶硅的产量2005年为28750吨，此中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨，半导体级需求量约为19000吨，略有剩余；太阳能级的需求量为15000吨，求过于供，从2006年开始太阳能级和半导体级多晶硅需求的均出缺口，此中太阳能级

产能缺口更大。

据日本罕有金属杂质2005年11月24日报导，世界半导体与太阳能多晶硅需求紧张，主假如因为以欧洲为中心的太阳能市场快速扩大，估计2006年，2007

年多晶硅供应不均衡的场面将为愈演愈烈，多晶硅价钱方面半导体级与太阳能级

原有的差别将逐渐减小甚至除去，2005年世界太阳能电池产量约1GW，假如以

1MW用多晶硅12吨计算，共需多晶硅是万吨，2005－2021年世界太阳能电池均匀年增添率在25％，到2021年全世界半导体用于太阳能电池用多晶硅的年总的需求量将超出万吨。

世界多晶硅主要生产公司有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能绝全局部

在1000吨以上，此中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在3000－5000吨。

国际多晶硅主要技术特色有以下两点：

〔1〕多种生产工艺路线并存，家产化技术封闭、垄断场面不会改变。

因为

各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽同样，因今生产工艺技术不一样；从而对应的多晶硅产品技术经济指标、产质量量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差别，各有技术特色和技术奥密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：

改良西门子法、硅烷法和流化床法。

此中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80％，短期内家产化技术垄断封闭的场面不会改变。

〔2〕新一代低本钱多晶硅工艺技术研究空前开朗。

除了传统工艺〔电子级和太阳能级兼容〕及技术升级外，还浮现出了几种特意生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：

改良西门子法的廉价钱工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度

硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出法〔VLD：

Vapertoliquiddeposition〕；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。

二、国内多晶硅家产概略

我国集成电路的增添，硅片生产和太阳能电池家产的展开，大大带动多晶硅资料的增添。

太阳能电池用多晶硅按每生产1MW多晶硅太阳能电池需要11－12吨多晶硅计算，我国2004年多晶、单晶太阳能电池产量为，多晶硅用量为678吨左右，而实质产能已达70MW左右，多晶硅缺口达250吨以上。

到2005年末国内太阳能电池产能抵达300MW，实质能形成的产量约为110MW，需要多晶硅1400吨左右，展望到2021年太阳能电池产量达300MW，需要多晶硅守旧估计约4200吨，所以太阳能电池的生产将大大带动多晶硅需求的增添，见

表3。

2005年中国太阳能电池用单晶硅公司动工率在20％－30％，半导体用单晶

硅公司动工率在80％－90％，都不可以满负荷生产，主要原由是多晶硅供应量不

足所造成的。

估计多晶硅生产公司扩产后的产量，仍旧知足不了快速增添的需要。

2005年全世界太阳能电池用多晶硅供应量约为10448吨，而2005年太阳能用硅资料需求量约为22881吨，假如太阳能电池用多晶硅需求量按占总需求量的65%计，那么太阳能电池用多晶硅需求量约为14873吨，这样全世界太阳能电池用多晶硅的市场缺口达4424吨。

2005年半导体用多晶硅欠缺6000吨，加上太阳能

用多晶硅缺口4424吨，共计10424吨，供应严重缺少，致使全世界多晶硅价钱上升。

目前多晶硅市场的连续升温，致使各生产厂商纷繁列出了扩产方案，依据来自国际光伏组织的统计，至2021年全世界多晶硅的产能将达49550吨，至2021年将达58800吨。

估计到2021年全世界多晶硅需求量将达85000吨，缺口26200

吨。

从长久来看，考虑到将来石化能源的欠缺和各国对太阳能家产的鼎力支持，

需求将连续增添。

依据欧洲光伏工业联合会的2021年各国光伏家产展开方案预

计，届时全世界光伏产量将抵达15GW〔1GW=1000MW〕，假想此中60%使用多晶硅为

原资料，假如技术进步每MW耗费10吨多晶硅，守旧估计全世界起码需要太阳能多

晶硅5万吨以上。

我国多晶硅工业起步于五、六十年月中期，生产厂多达20余家，生因为生产技术难度大，生产规模小，工艺技术落伍，环境污染严重，耗能大，本钱高，绝全局部公司损失而接踵停产和转产，到1996年仅剩下四家，即峨眉半导体材

料厂〔所〕，洛阳单晶硅厂、天原化工厂和棱光实业公司，共计当年产量为吨，产能与生产技术都与外国有较大的差距。

1995年后，棱光实业公司和重庆天原化工厂接踵停产。

此刻国内主要多晶

硅生产厂商有洛阳中硅高科技公司、四川峨眉半导体厂和四川新光硅业公司、到2005年末，洛阳中硅高科技公司300吨生产线已正式投产，二期扩建1000吨多

晶硅生产线也同时破土动工，河南省方案将其扩建到3000吨规模，建成国内最大的硅家产基地。

四川峨眉半导体资料厂〔所〕是国内最早拥有多晶硅生产技术的公司，2005年太阳能电池用户投资，扩产的220吨多晶硅生产线将于2006年上半年投产，四川新光硅业公司实行的1000吨多晶硅生产线正在加速建设，方案在2006年末投产，别的，云南、扬州、上海、黑河、锦州、青海、内蒙、宜昌、广西、重庆、辽宁、邯郸、保定、浙江等地也有建生产线假想。

三、行业展开的主要问题

同国际先进水平对比，国内多晶硅生产公司在家产化方面的差距主要表此刻以下几个方面：

1、产能低，供需矛盾突出。

2005年中国太阳能用单晶硅公司动工率在20％

－30％，半导体用单晶硅公司动工率在80％－90％，没法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍紧紧掌握在美、日、德国的少量几个生产厂商中，严重限制我国家产展开。

2、生产规模小、此刻公认的最小经济规模为1000吨/年，最正确经济规模在2500

吨/年，而我国现阶段多晶硅生产公司离此规模仍有较大的距离。

3、工艺设施落伍，同类产品物料和电力耗费过大，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，产品本钱缺少竞争力。

4、千吨级工艺和设施技术的靠谱性、先进性、成熟性以及各子系统的互相般配

性都有待生产运转考证，并需要进一步完美和改良。

5、国内多晶硅生产公司技术创新能力不强，根基研究资本投入太少，特别是非

标设施的研发制造能力差。

6、地方政府和公司工程投资多晶硅工程，存在低水平重复建设的隐忧。

四、行业展开的对策与建议

1、展开壮大我国多晶硅家产的市场条件已经根本具备、机遇已经成熟，国家相

关部门加大对多晶硅家产技术研发，科技创新、工艺完美、工程建设的支持力度，抓住有益机遇展开壮大我国的多晶硅家产。

2、支持最具条件的改良西门子法共性技术的实行，加速打破千吨级多晶硅家产

化重点技术，形成从资料生产工艺、装备、自动控制、回收循环利用的多晶硅产

业化生产线，资料性能靠近国际同类产品指标；建成节能、低耗、环保、循环、经济的多晶硅资料生产系统，提高我们多晶硅在国际上的竞争力。

3、依靠高校以及研究院所，增强新一代低本钱工艺技术根基性及前瞻性研究，

成立低本钱太阳能及多晶硅研究开发的知识及技术创新系统，获取拥有自主知识

产权的生产工艺和技术。

4、政府主管部门增强宏观调控与行业管理，防备低水平工程的重复投资建设，

保证家产的有序、可连续展开。

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多晶硅单晶硅单质硅半导体太阳能电池

二,怎样提炼硅&多晶硅生产工艺

2007-09-14

贞洁的硅（Si）是从自然界中的石英矿石（主要成分二氧化硅）中提拿出来的,分几

步反应:

1.二氧化硅和炭粉在高温条件下反应,生成粗硅:

SiO2+2C==Si（粗）+2CO

2.粗硅和氯气在高温条件下反应生成氯化硅:

Si（粗）+2Cl2==SiCl4

3.氯化硅和氢气在高温条件下反应获取贞洁硅:

SiCl4+2H2==Si（纯）+4HCl

以上是硅的工业制法,在实验室中能够用以下方法制得较纯的硅:

1.将细砂粉（SiO2）和镁粉混淆加热,制得粗硅:

SiO2+2Mg==2MgO+Si（粗）

2.这些粗硅中常常含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质能够用盐酸除掉:

Mg+2HCl==MgCl2+H2

MgO+2HCl==MgCl2+H2O

Mg2Si+4HCl==2MgCl2+SiH4

3.过滤,滤渣即为纯硅

〔一〕国内外多晶硅生产的主要工艺技术

1，改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法

改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢〔或外购氯化氢〕，氯化氢和工业硅粉在必定的温度下合成三氯氢硅，而后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。

国内外现有的多晶硅厂绝全局部采纳此法生产电子级与太阳能级多晶硅。

2，硅烷法——硅烷热分解法

硅烷〔SiH4〕是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢

化法等方法制取。

而后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多

晶硅。

从前只有日本小松掌握此技术，因为发生过严重的爆炸事故后，没有连续

扩大生产。

但美国Asimi和SGS公司仍采纳硅烷气热分解生产纯度较高的电子级

多晶硅产品。

3，流化床法

以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内〔沸腾床〕高温高压下生

成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅，既而生成硅烷

气。

制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成

粒状多晶硅产品。

因为在流化床反应炉内参加反应的硅表面积大，生产效率高，

电耗低与本钱低，合用于大规模生产太阳能级多晶硅。

独一的弊端是安全性差，

危险性大。

其次是产品纯度

不高，但根本能知足太阳能电池生产的使用。

此法是美国联合碳化合物公司从前研究的工艺技术。

目前生界上只有美国MEMC

公司采纳此法生产粒状多晶硅。

此法比较合适生产价廉的太阳能级多晶硅。

4，太阳能级多晶硅新工艺技术

除了上述改良西门子法、硅烷热分解法、流化床反应炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅之外，还浮现出几种特意生产太阳能级多晶硅新工艺技术。

1〕冶金法生产太阳能级多晶硅

据资料报导[1]日本川崎制铁公司采纳冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太

阳能电池厂〔SHARP公司〕应用，现已形成800吨/年的生产能力，全量供应SHARP公司。

主要工艺是：

选择纯度较好的工业硅〔即冶金硅〕进行水平区熔单向凝结成硅锭，去除硅锭中金属杂质齐集的局部和表面局部后，进行粗粉碎与冲洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝结成硅锭，去除第二次区熔硅锭中金属杂质齐集的局部和表面局部，经粗粉碎与冲洗后，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。

2〕气液堆积法生产粒状太阳能级多晶硅

据资料报导[1]以日本Tokuyama公司为代表，目前10吨试验线在运转，200吨

半商业化规模生产线在2005-2006年间投入试运转。

主要工艺是：

将反应器中的石墨管的温度高升到1500℃，流体

三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁1500℃高温处反应生成液

体状硅，而后滴入底部，温度上升变为固体粒状的太阳能级多晶硅。

3〕重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅

据美国CrystalSystems资料报导[1]，美国经过对重掺单晶硅生产过程中产生的硅废料提纯后，能够用作太阳能电池生产用的多晶硅，最后本钱价可望控制在20美元/Kg以下。

三,单晶硅

单晶硅中文又名：

硅单晶英文名称：

Silicon

分子式：

Si分子量：

CAS号：

7440-21-3

硅是地球上储蓄最丰富的资料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体

特征后，它几乎改变了全部，甚至人类的思想。

直到上世纪60年月开始，硅资料就代替了原有锗资料。

硅资料――因其拥有耐高平和抗辐射性能较好，特别适合制作大功率器件的特征而成为应用最多的一种半导体资料，目前的集成电路半导体器件大部分是用硅资料制造的。

此刻，我们的生活中到处可见“硅〞的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成家产化最快的。

熔融的单质硅在凝结时硅原子以金刚石晶格摆列成很多晶核，假如这些晶核长成晶面取向同样的晶粒，那么这些晶粒平行联合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅的制法往常是先制得多晶硅或无定形硅，而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资料，跟着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增添，单晶硅棒的市场需求也呈快速增添的趋向。

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，芯片的本钱也就越低。

但大尺寸晶片对资料和技术的要求也越高。

单晶硅按晶体生长方法的不一样，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。

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，宽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。

因为本钱和性能的原由，直拉法〔CZ〕单晶硅资料应用最广。

在IC工业中所用的资料主假如CZ抛光片和外延片。

储存器电路往常使用CZ抛光片，因本钱较低。

逻辑电路一般使用价钱较高的外延片，因其在IC制造中有更好的合用性并拥有除去Latch－up的能力。

单晶硅也称硅单晶，是电子信息资猜中最根基性资料，属半导体资料类。

单晶硅

已浸透到公民经济和国防科技中各个领域，此刻全世界超出2000亿美元的电子通讯半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。

四,单晶硅棒、单晶硅片加工工艺2007-03-2720:

44:

23

单质硅有无定形及晶体两种。

无定形硅为灰黑色或栗色粉末，更常有的是无定形

块状，它们是热和电的不良导体、质硬，主要用于冶金工业〔比如铁合金及铝合

金的生产〕及制造硅化物。

晶体硅是银灰色，有金属光彩的晶体，能导电〔但导

电率不及金属〕故又称为金属硅。

高纯度的金属硅〔≥99．99％〕是生产半导体

的资料，也是电子工业的根基资料。

混杂有微量硼、磷等元素的单晶硅可用于制

造二极管、晶体管及其余半导体器件。

因为半导体技术不停向高集成度，高性能，低本钱和系统化方向展开，半导体在公民经济各领域中的应用更为宽泛。

单晶硅片按使用性质可分为两大类：

生产用硅片；测试用硅片。

半导体元件所使用的单晶硅片系采纳多晶硅原料再经由单晶生长技术所生产出来的。

多晶硅所使用的原资料来自硅砂〔二氧化硅〕。

目前商业化的多晶硅

依外观可分为块状多晶与粒状多晶。

多晶硅的质量规格：

多晶硅按外形可分为块状多晶硅和棒状多晶硅；等级分为一、二、三级免洗料。

多晶硅的检测：

主要检测参数为电阻率、碳浓度、N型少量载流子寿命；外形主假如块状的

大小程度；构造方面要求无氧化夹层；表面需要经过酸腐化，构造需致密、平坦，

多晶硅的外观应无色斑、变色，无可见的污染物。

关于特别要求的，还需要进行

体内金属杂质含量的检测。

单晶硅棒质量规格：

单晶硅棒的主要技术参数

......

此中电阻率、OISF密度、以及碳含量是权衡单晶硅棒等级的重点参数。

这些参

数在单晶成型后即定型，没法在此后的加工中进行改变。

测试方法：

电阻率：

用四探针法。

OISF密度：

利用氧化诱生法在高温、高干净的炉管中氧化，再经过腐化后

察看其密度进行报数。

碳含量：

利用红外分光光度计进行检测。

单晶硅抛光片质量规格：

单晶硅抛光片的物理性能参数同硅单晶技术参数

厚度〔T〕200-1200um

总厚度变化〔TTV〕＜10um

曲折度〔BOW〕＜35um

翘曲度〔WARP〕＜35um

单晶硅抛光片的表面质量：

正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无地区沾污、无崩边、无裂痕、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。

反面要求无地区沾污、无崩边、无裂痕、无刀痕.

〔2〕加工工艺知识

多晶硅加工成单晶硅棒：

多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种：

CZ〔Czochralski〕法

FZ〔Float-ZoneTechnique〕法

目前超出98％的电子元件资料所有使用单晶硅。

此顶用CZ法占了约85％，其余部份那么是由浮融法FZ生长法。

CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。

而FZ法生长出的单晶硅那么主要用在高功率的电子元件。

CZ法所以比FZ法更广泛被半导体工业采纳，主要在于它的高氧含量供应了晶片增强的长处。

此外一个原由是CZ法比FZ法更简单生产出大尺寸的单晶硅棒。

目前国内主要采纳CZ法

CZ法主要设施：

CZ生长炉

CZ法生长炉的构成元件可分红四局部

（1〕炉体：

包含石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁

（2〕晶棒及坩埚拉升旋起色构：

包含籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件

（3〕氛围压力控制：

包含气体流量控制，真空系统及压力控制阀

（4〕控制系统：

包含侦测感觉器及电脑控制系统

加工工艺：

加料→融化→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放入石英坩埚内，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〕融化：

加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉一定封闭并抽成真空后充入高纯氩气使之保持必定压力内，而后打开石墨加热器电源，加热至融化温度

（1420℃〕以上，将多晶硅原料融化。

（3〕缩颈生长：

当硅熔体的温度稳固以后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。

因为籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错一定利用缩劲生长使之消逝掉。

缩颈生长是将籽晶快速向上提高，使长出的籽晶的直径减小到必定大小〔4-6mm〕因为位错线与生长轴成一个交角，只需缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。

（4〕放肩生长：

长完细颈以后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径逐渐增大到所需的大小。

（5〕等径生长：

长完细颈和肩部以后，借着拉速与温度的不停调整，可使晶棒

直径保持在正负2mm之间，这段直径固定的局部即称为等径局部。

单晶硅片取自于等径局部。

（6〕尾部生长：

在长完等径局部以后，假如马上将晶棒与液面分开，那么效应

力将使得晶棒出现位错与滑移线。

于是为了防备此问题的发生，一定将晶棒的直径慢慢减小，直到成一尖点而与液面分开。

这一过程称之为尾部生长。

长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后拿出，即达成一次生长周期。

单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片

加工流程：

单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽办理→切片

倒角→研磨腐化--抛光→冲洗→包装

切断：

目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及高出客户规格的局部，将单晶硅棒分段成切片设施能够办理的长度，切取试片丈量单晶硅棒的电阻率含氧量。

切断的设施：

内园切割机或外园切割机

切断用主要入口资料：

刀片

外径磨削：

因为单晶硅棒的外径表面其实不平坦且直径也比最后抛光晶片所规定的直径规格大，经过外径滚磨能够获取较为精准的直径。

外径滚磨的设施：

磨床

平边或V型槽办理：

指方向及指