单晶和多晶区别

1、, 什么是多晶硅？来源： 作者： 时间： 07-07-14 08:29:20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

2、 向、导电类型和电阻率等。、国际多晶硅产业概况当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占 有率在 90以上, 而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材 料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等 3 个国家 7 个公司的 10 家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。 按纯度要求不同， 分为电子 级和太阳能级。 其中，用于电子级多晶硅占 55左右， 太阳能级多晶硅占 45， 随着光伏产业的迅猛发展， 太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多 晶硅的发展，预计到 2008 年太阳能多晶硅的需求量将超过电

3、子级多晶硅。1994年全世界太阳能电池的总产量只有 69MW，而 2004年就接近 1200MW， 在短短的 10 年里就增长了 17 倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期 将超过核电成为最重要的基础能源之一， 世界各国太阳能电池产量和构成比例见 表 1 。据悉，美国能源部计划到 2010 年累计安装容量 4600MW，日本计划 2010年 达到 5000MW，欧盟计划达到 6900MW，预计 2010 年世界累计安装量至少 18000MW。从上述的推测分析，至 2010 年太阳能电池用多晶硅至少在 30000吨以上， 表 2 给出了世界太阳能多晶硅工序的预测。 据国外资料分析报道，

4、世界多晶硅的 产量 2005年为 28750吨，其中半导体级为 20250吨，太阳能级为 8500吨，半导 体级需求量约为 19000 吨，略有过剩；太阳能级的需求量为 15000 吨，供不应 求，从 2006 年开始太阳能级和半导体级多晶硅需求的均有缺口，其中太阳能级 产能缺口更大。据日本稀有金属杂质 2005年 11月 24 日报道，世界半导体与太阳能多晶硅 需求紧张，主要是由于以欧洲为中心的太阳能市场迅速扩大， 预计 2006 年， 2007 年多晶硅供应不平衡的局面将为愈演愈烈， 多晶硅价格方面半导体级与太阳能级 原有的差别将逐步减小甚至消除， 2005 年世界太阳能电池产量约 1GW

5、，如果以 1MW用多晶硅 12 吨计算，共需多晶硅是万吨， 20052010 年世界太阳能电池平 均年增长率在 25，到 2010 年全世界半导体用于太阳能电池用多晶硅的年总的 需求量将超过万吨。世界多晶硅主要生产企业有日本的 Tokuyama、三菱、住友公司、美国的 Hemlock、Asimi 、SGS、MEMC公司，德国的 Wacker公司等，其年产能绝大部分 在 1000 吨以上，其中 Tokuyama、 Hemlock、Wacker 三个公司生产规模最大，年 生产能力均在 30005000 吨。国际多晶硅主要技术特征有以下两点：（1）多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断局面不会改

6、变。由于 各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同， 因此生产工艺技术不同； 进而对应的 多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方 面也存在差异， 各有技术特点和技术秘密， 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。 其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，短期内产业化技术垄断封锁的局面不 会改变。（2）新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。除了传统工艺（电子级 和太阳能级兼容） 及技术升级外， 还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新 工艺技术， 主要有： 改良西门子法的低价格工艺； 冶金法从金属

7、硅中提取高纯度 硅；高纯度 SiO2 直接制取；熔融析出法（ VLD：Vaper to liquid deposition ）； 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。、国内多晶硅产业概况我国集成电路的增长， 硅片生产和太阳能电池产业的发展， 大大带动多晶硅 材料的增长。太阳能电池用多晶硅按每生产 1MW多晶硅太阳能电池需要 1112 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， 而实际产能已达 70MW左右，多晶硅缺口达 250 吨以上。到 2005年底国内太阳能电池产能达到 300MW，实际能形

8、成的产量约为 110MW， 需要多晶硅 1400 吨左右，预测到 2010年太阳能电池产量达 300MW，需要多晶硅 保守估计约 4200 吨，因此太阳能电池的生产将大大带动多晶硅需求的增加，见 表 3 。2005 年中国太阳能电池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，都不能满负荷生产，主要原因是多晶硅供给量不 足所造成的。预计多晶硅生产企业扩产后的产量， 仍然满足不了快速增长的需要。2005年全球太阳能电池用多晶硅供应量约为 10448吨，而 2005年太阳能用 硅材料需求量约为 22881 吨，如果太阳能电池用多晶硅需求量按占总需求量的 65%计，则太

9、阳能电池用多晶硅需求量约为 14873 吨，这样全球太阳能电池用多 晶硅的市场缺口达 4424 吨。 2005年半导体用多晶硅短缺 6000 吨，加上太阳能 用多晶硅缺口 4424吨，合计 10424 吨，供给严重不足，导致全球多晶硅价格上 涨。目前多晶硅市场的持续升温， 导致各生产厂商纷纷列出了扩产计划， 根据来 自国际光伏组织的统计，至 2008 年全球多晶硅的产能将达 49550 吨，至 2010 年将达 58800吨。预计到 2010 年全球多晶硅需求量将达 85000吨，缺口 26200 吨。从长远来看，考虑到未来石化能源的短缺和各国对太阳能产业的大力支持， 需求将持续增长。根据欧洲

10、光伏工业联合会的 2010 年各国光伏产业发展计划预 计，届时全球光伏产量将达到 15GW（1GW=1000M）W，设想其中 60%使用多晶硅为 原材料，如果技术进步每 MW消耗 10 吨多晶硅，保守估计全球至少需要太阳能多 晶硅 5 万吨以上。我国多晶硅工业起步于五、六十年代中期，生产厂多达 20 余家，生由于生 产技术难度大，生产规模小，工艺技术落后，环境污染严重，耗能大，成本高， 绝大部分企业亏损而相继停产和转产，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，合计当年产量为 吨， 产能与生产技术都与国外有较大的差距。1995年后，棱光实业

11、公司和重庆天原化工厂相继停产。现在国内主要多晶 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年底，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，河南省计划将其扩建到 3000 吨规模，建成国内最 大的硅产业基地。 四川峨眉半导体材料厂 （所）是国内最早拥有多晶硅生产技术 的企业， 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施的 1000 吨多晶硅生产线正在加快建设， 计划在 2006 年底投产，此外，云南、扬州、上海、黑河、锦州、青海、

12、内蒙、 宜昌、广西、重庆、辽宁、邯郸、保定、浙江等地也有建生产线设想。三、行业发展的主要问题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、产能低，供需矛盾突出。 2005 年中国太阳能用单晶硅企业开工率在 2030，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， 严重制约我 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，而我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

13、，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。4、千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配 性都有待生产运行验证，并需要进一步完善和改进。5、国内多晶硅生产企业技术创新能力不强，基础研究资金投入太少，尤其是非 标设备的研发制造能力差。6、地方政府和企业项目投资多晶硅项目，存在低水平重复建设的隐忧。四、行业发展的对策与建议1、发展壮大我国多晶硅产业的市场条件已经基本具备、时机已经成熟，国家相 关部门加大对多晶硅产业技术研发， 科技创新、工艺完善、项目建设的支持力度， 抓住有利时机发展壮大我国的多晶硅产业。2、支持最具条件的改

14、良西门子法共性技术的实施，加快突破千吨级多晶硅产业 化关键技术，形成从材料生产工艺、装备、自动控制、回收循环利用的多晶硅产 业化生产线，材料性能接近国际同类产品指标；建成节能、低耗、环保、循环、 经济的多晶硅材料生产体系，提高我们多晶硅在国际上的竞争力。3、依托高校以及研究院所，加强新一代低成本工艺技术基础性及前瞻性研究， 建立低成本太阳能及多晶硅研究开发的知识及技术创新体系， 获得具有自主知识 产权的生产工艺和技术。4、政府主管部门加强宏观调控与行业管理，避免低水平项目的重复投资建设， 保证产业的有序、可持续发展。Tags：多晶硅 单晶硅 单质硅 半导体 太阳能 电池二, 如何提炼硅 &am

15、p;多晶硅生产工艺2007-09-14纯净的硅 （Si） 是从自然界中的石英矿石 （主要成分二氧化硅 ）中提取出来的 , 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）+2CO2. 粗硅和氯气在高温条件下反应生成氯化硅 :Si（ 粗 ）+2Cl2=SiCl43. 氯化硅和氢气在高温条件下反应得到纯净硅 :SiCl4+2H2=Si（ 纯）+4HCl以上是硅的工业制法 , 在实验室中可以用以下方法制得较纯的硅 :1. 将细砂粉（SiO2）和镁粉混合加热 ,制得粗硅:SiO2+2Mg=2MgO+S粗i（ ）2. 这些粗硅中往往含有镁 ,氧化镁和硅化镁

16、 ,这些杂质可以用盐酸除去 :Mg+2HCl=MgCl2+H2MgO+2HCl=MgCl2+H2OMg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH43. 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一 定的温度下合成三氯氢硅， 然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大部分采用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

17、的直接氢 化法等方法制取。然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。以前只有日本小松掌握此技术， 由于发生过严重的爆炸事故后， 没有继续 扩大生产。但美国 Asimi 和 SGS公司仍采用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， 继而生成硅烷 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与反应的硅表面积大，生产效率高， 电耗低与成本低，适用于大规模生产太

18、阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差， 危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。 此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界上只有美国 MEMC 公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比较适合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 太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门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用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，全量供给 S

19、HARP 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固成硅锭， 去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后， 进行粗粉碎与清洗， 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固成硅锭， 去除第二次区熔 硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分， 经粗粉碎与清洗后， 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）气液沉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 吨试验线在运行， 200 吨 半商业化规模生产线在 2005-2006 年间投入试运行。主要工艺是：将反应器中的石墨管的温度升高到 1500

20、，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，然后滴入底部，温度回升变成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 Crystal Systems 资料报导 1 ，美国通过对重掺单晶硅生产过程中产生 的硅废料提纯后， 可以用作太阳能电池生产用的多晶硅， 最终成本价可望控制在 20美元/Kg 以下。三, 单晶硅单晶硅 中文别名：硅单晶 英文名称： Silicon分 子 式： Si 分 子 量：C A S 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

21、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。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

22、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。 目前晶体直径可控制在 38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

23、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36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。单晶硅也称硅单晶， 是电子信息材料中最基础性材料， 属半导体材料类。 单晶硅 已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过 2000 亿美元的电子通 信半导体市场中 95%以上的半导体器件及 99%以上的集成

24、电路用硅。四, 单晶硅棒、单晶硅片加工工艺 2007-03-27 20:44:23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， 更常见的是无定形 块状，它们是热和电的不良导体、质硬，主要用于冶金工业（例如铁合金及铝合 金的生产）及制造硅化物。晶体硅是银灰色，有金属光泽的晶体，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（ 9999）是生产半导体 的材料， 也是电子工业的基础材料。 掺杂有微量硼、 磷等元素的单晶硅可用于制 造二极管、晶体管及其他半导体器件。由于半导体技术不断向高集成度， 高性能， 低成本和系统化方向发展， 半导 体在国民经济各领域中的应用更加广泛。 单

25、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用多晶硅原料再经由单晶生长技术所生 产出来的。多晶硅所使用的原材料来自硅砂（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。多晶硅的品质规格： 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型少数载流子寿命；外形主要是块状的 大小程度； 结构方面要求无氧化夹层； 表面需要经过酸腐蚀， 结构需致密、平整， 多晶硅的外观应无色斑、变色，无可见的污染物。对于特殊要求的，还需要进行 体内金属杂质含量的检测。单晶硅棒品质规格：单晶

26、硅棒的主要技术参数其中电阻率、 OISF 密度、以及碳含量是衡量单晶硅棒等级的关键参数。这些参 数在单晶成型后即定型，无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、高洁净的炉管中氧化，再经过腐蚀后 观察其密度进行报数。碳含量：利用红外分光光度计进行检测。单晶硅抛光片品质规格：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弯曲度（ BOW） <35um翘曲度（ WAR）P< 35um单晶硅抛光片的表面质量：正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无 崩 边、无裂缝、

27、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。背面要求无区域沾污、 无崩边 、 无裂缝、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-Zone Technique ）法目前超过 98的电子元件材料全部使用单晶硅。 其中用 CZ法占了约 85，其他 部份则是由浮融法 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 法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。 CZ法所以比 FZ 法更普遍被半导体工业采用， 主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。 另 外一个原因是 CZ法比 FZ

28、法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。目前国内主要采用 CZ法CZ法主要设备： CZ生长炉CZ法生长炉的组成元件可分成四部分（1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁（2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件（ 3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀（4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统加工工艺：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）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入 高纯氩气使之维持一定压力内，然

29、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之后，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， 会使籽晶产生位错， 这些位错必须利用缩劲生长 使之消失掉。 缩颈生长是将籽晶快速向上提升， 使长出的籽晶的直径缩小到一定 大小（ 4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出 晶体表面，产生零位错的晶体。（4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大 到所需的大小。（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，这段直径固定的部分即称为等径部分。 单晶硅片取自 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，那么效应 力将使得晶棒出现位错与滑移线。 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。 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取出