多晶硅的基础知识
重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子工业电磁炮制作上使用的硅应具有高纯度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。 在研究和生产中，硅材料与硅器件相互促进。在第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度很低又非单晶体。1950年制出第一只硅晶体管，提高了人们制备优质硅单晶的兴趣。1952年用直拉法(CZ)培育硅单晶成功。1953年又研究出无坩埚区域熔化法(FZ)，既可进行物理提纯又能拉制单晶。1955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。1956年研究成功氢还原三氯氢硅法。对硅中微量杂质又经过一段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为一种主要的方法。到1960年，用这种方法进行工业生产已具规模。硅整流器与硅闸流管的问世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。60年代硅外延生长单晶技术和硅平面斗拱模型
工艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集成电路迅速发展。80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。硅还是有前途的太阳电池材料之一。用多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；无定形非晶硅膜的研究进展迅速；非晶硅太阳电池开始进入市场。 化学成分 硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高，低于1ppm者可认为是低碳单晶。碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。
硅的性质 硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米2/伏•秒，空穴迁移率为480厘米2/顾婷婷是什么梗伏•秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×105欧•厘米,掺杂后电阻率可控制在104～10-4 欧•厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。热导率较大。化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导好，并能在200高温下运行等优点。
硅单晶的主要技术参数 硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载
流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。
导电类型 导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷,外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。
电阻率与均匀度 拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。
非平衡载流子寿命 光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失，它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度，存在重金属杂质会使寿命值大大降低。
晶向与晶向偏离度 常用的单晶晶向多为 (111)和(100)。晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。
晶体缺陷 生产电子器件用的硅单晶除对位错密度有一定限制外，不允许有小角度晶界、位错排、星形结构等缺陷存在。位错密度低于 200/厘米2者称为无位错单晶，无位错硅单晶占产量的大多数。在无位错硅单晶中还存在杂质原子、空位团、自间隙原子团、氧
碳或其他杂质的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈状或螺旋状者称为旋涡缺陷。热加工过程中，硅单晶微缺陷间的相互作用及变化直接影响集成电路的成败。
类型和应用 硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。区熔单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧•厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧•厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。
展望 硅是地壳上最丰富的元素半导体, 性质优越而工艺技术比较成熟,已成为固态电子器件的主要原料。为适应超大规模集成电路的需要,高完整性高均匀度(尤其是氧的分布) 的硅单晶制备技术正在发展。虽然在超速集成电路方面砷化镓材料表现出巨大的优越性，但尚不可能全面取代硅的地位。硅材料在各种晶体三极管、尤其是功率器件制造方面仍是最
主要的材料。无定形硅可能成为同单晶硅并列的重要硅材料。无定形硅和多晶硅太阳电池的成功将使硅材料的消耗量急剧增加
单晶硅、多晶硅和非晶硅的含义
单晶硅(c-Si)
氯仿沸点 以高纯度多晶硅蒸汽回收机为原料在单晶炉中被熔化为液态在单晶种（籽晶）上结晶而成由于其晶体原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齐排列所以称为单晶硅。
多晶硅(p-Si)
熔融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。
非晶硅(a-Si)
熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以无规网络形态排列成许多晶核，这些晶粒结合起来，就结晶成非晶硅。
以上解释仅供参考之用，敬请大家更正
多晶硅薄膜太阳电池
如果问人类在２１世纪面临的最大挑战是什么，答案肯定是环境污染和能源私有制。这两个问题已经变成高悬在人类头顶上的达摩克利斯利剑。人类在努力寻解决这两个问题方法时发现，太阳能的应用是解决这两个问题的最好方案。 太阳能是地球上取之不尽的能源。人类利用太阳能的想法由来已久，最早是将它转换为热能加以利用，后来光伏效应的发现使太阳能转化为电能成为可能，以致使太阳能利用领域更加广阔。 早在本世纪５０年代，第一个实用性的硅太阳电池就在美国贝尔实验室内诞生了。不久，它即被用于人造卫星的发电系统上。 迄今为止，太空中成千的飞行器都装备了太阳电池发电系统。尽管如此，太阳电池在地面的应用却一直未得到广泛重视，直到７０年代世界出现“石油危机”，地面大规模应用 太阳电池发电才被列上许多国家的议事日程。当时太阳能发电主要使用的是单晶硅太阳电池。进入８０年代中期，环境继能源之后，又成为国际社会普遍关注的焦点之一，全人类又都把目光集中到解决这两个问题的交叉点－－太阳能光伏发电上，从而大大加速了开发利用的步伐。此后，随着生产规模的不断扩大、技术的日益提高，单晶硅太阳电池的成本也逐渐下降，１９９７年每峰瓦单晶硅太阳电池的成本已经降到５美元以下。单晶硅太阳电池虽然在现阶段的大规模应用和工业生产中占主导地位，但是也暴露了许多缺点，其主要问题是成本过高。受单晶硅材料价格和单晶硅电池制备过程的影响，若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池，硒铟铜和碲化镉薄膜电池，多晶硅薄膜太阳电池。在这几种薄膜电池中，最成熟的产品当数非晶硅薄膜太阳电池，在世界上已经有多家公司在生产该种电池的产品，其主要优点是成本低，制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池的不稳定性，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外非晶硅薄膜太阳电池的效率也较低。一般在８％到１０％，硒铟铜和碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池高，成本较单晶硅电池低，并且易于大规模生产，还没有效率衷减问题，似乎是非晶硅薄膜电池的一种较好的替代品，在美国已有一些公司开始建设这种电池的生产线。
四甲基环丁烷
最近十年世界太阳能电池产量平均增长率为40%，最近五年平均增长率为45.4%，最近三年的平均增长率超过50%，光伏产业已成为世界发展最快的高新技术产业之一。而设备作为其支撑，对光伏产业的发展起到了至关重要的作用。
高端设备仍需进口
太阳能光伏产业包括光伏材料、光伏电池、光伏组件、光伏设备和光伏应用系统。以占据太阳能电池95%以上的晶体硅太阳能电池为例，其产业链为硅矿石—冶金硅(工业硅，99%纯度)—高纯硅(6N或以上纯度)—单晶硅或多晶硅—硅片—电池—组件—应用产品，设备是基础和支撑，贯穿了所有环节。
除前道的材料提纯、硅片加工和后道的组件生产外，最关键的工序为电池制造，它包括清洗、制绒、扩散、刻蚀、减反射膜制备、电极印刷、低温烘干、高温烧结、自动测试分捡等。
经过数年的艰苦努力，我国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造整线装备能力，部分产品如扩散炉、等离子刻蚀机等开始少量出口，可提供10种太阳能电池大生产线设备中的8种，其中有6种(扩散炉、等离子刻蚀机、清洗/制绒机、石英管清洗机、低温烘干炉)已在
国内生产线占据主导地位，2种(管式PECVD、快速烧结炉)和进口设备并存但份额在逐步增大，3种(全自动丝网印刷机、自动分捡机、平板式PECVD)则完全依赖进口。
组件生产用的层压机、太阳模拟器等在行业获得广泛应用。
硅片加工设备中单晶炉以优良的性价比占据了国内市场的绝对统治地位并批量出口亚洲，多线切割机已取得突破，多晶硅铸锭炉推向市场指日可待。
高纯硅材料提纯设备中关键的24对棒还原炉在国家“863”计划的支持下也已研制成功。
国产太阳能光伏设备在国内用户中已建立起良好的信誉，得到业界的广泛认可，越来越多的客户从国产设备使用中受益。可以说，中国太阳能光伏产业在短短的数年间具备直面国际竞争能力，获得高速发展的利器在于技术与国际接轨的同时拥有无法比拟的低成本优势，而维持较低生产成本的原因除较低的劳动力和运营成本外，低价格(平均只有进口设备的1/3)的国产设备的大量应用使得企业投资成本大大降低是主要原因。否则光伏产业95%市场在欧美日的产业特征，很难想象国内企业能以比国外同类企业高得多的硅材料采购成本去国际市场竞争。
国产设备相继在大生产线应用
自2002年开始，无锡尚德太阳能电力公司的超常规发展，也为设备企业提供了难得的发
展机遇。通过和一流电池企业合作并引进先进的工艺技术，历经多次技术换代及升级，国产的太阳能电池关键设备相继在国内大生产线上得到应用，使我国基本具备太阳能电池制造设备整线供给能力。
高纯硅材料的严重短缺为物美价廉的国产单晶炉企业提供了极好的发展契机，近几年数十家新上的单晶拉制企业的大量订货，使得国内设备企业始终处于满负荷生产状态，并引来了日本、韩国和我国台湾的批量订单。如此多年未遇的火爆场面直接催生了2006年四家光伏设备生产企业订单过亿元，2007年的势头较之有过之而无不及的局面，这是我国电子专用设备行业多年未有的繁荣景象。
另外，尽管非晶硅太阳能电池尚没有形成规模生产，但增长速度已明显加快，相应的非晶硅电池设备也吸引了不少企业试图以同国外相仿的整线包设备和工艺的方式进入。
同国际先进水平相比，国产太阳能电池生产设备最关键的几种设备中，扩散炉、等离子刻蚀机、清洗/制绒机等达到或接近了国际先进水平，占据了国内绝大部分市场，性价比优势十分明显。管式PECVD、快速烧结炉与国际先进水平有差距，但不大，已开始在大生产线使用，市场份额逐步扩大，性价比优势明显。国内尚没有平板式PECVD，另两种关键设备全自动丝网印刷机和自动分捡机由于核心技术无法绕开国外公司的技术专利封锁，尚未取
得实质性突破，整体水平和国外差距较大，国内主要大生产线几乎全部采用了价格高昂的进口设备。
硅片加工设备中，部分合资企业的高档全自动单晶炉已接近国际先进水平，但因价格较高，在光伏产业的应用数量有限，获得大量应用的反而是价格低廉适用的、自动化程度较低的中低端单晶炉。借硅材料短缺的难得契机，得以形成批量生产，占据了国内绝大部分市场并批量出口。
组件生产设备中的层压机等，高端自动化产品与国际先进水平相差无几，有明显的技术特，但占据市场大部分份额的也是中低端产品。
硅材料提纯设备的技术水平与国外产品差距较大，只有零星产品生产。
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