單晶硅起源或發(fā)現(xiàn)過(guò)程，物理和化學(xué)性質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)，在在生產(chǎn)生活中有什么作用，以及未來(lái)的發(fā)展和用途

【專家解說(shuō)】：單晶硅建設(shè)項(xiàng)目具有巨大的市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展空間。在地殼中含量達(dá)25.8%的硅元素，為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。 近年來(lái)，各種晶體材料，特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長(zhǎng)最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開(kāi)發(fā)利用的高科技資源，正引起越來(lái)越多的關(guān)注和重視。 與此同時(shí)，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國(guó)家正掀起開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮并成為各國(guó)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略斬重要內(nèi)容。 在跨入21世紀(jì)門檻后，世界大多數(shù)國(guó)家踴躍參與以至在全球范圍掀起了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的“綠色能源熱”，一個(gè)廣泛的大規(guī)模的利用太陽(yáng)能的時(shí)代正在來(lái)臨，太陽(yáng)能級(jí)單晶硅產(chǎn)品也將因此炙手可熱。 此外，包括我國(guó)在內(nèi)的各國(guó)政府也出臺(tái)了一系列“陽(yáng)光產(chǎn)業(yè)”的優(yōu)惠政策，給予相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)扶持，單晶硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出美好的發(fā)展前景。 單晶硅性質(zhì)；單晶硅具有金剛石晶格。晶體硬而脆具有金屬光澤。能導(dǎo)電。但導(dǎo)電率不及金屬。局隨溫度升高而增加。具有半導(dǎo)體性質(zhì)。單晶硅石重要的半導(dǎo)體材料，在單晶硅中摻入微量的IIIA族元素。形成p型半導(dǎo)體。摻入微量的第vA族元素。形成N型和P型導(dǎo)體結(jié)合在一起。就可以做成太陽(yáng)能電池。將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在開(kāi)發(fā)電能方面是一種很有前途的材料。 熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型硅半導(dǎo)體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無(wú)定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)出棒狀單晶硅。 發(fā)展趨勢(shì)： 日本、美國(guó)和德國(guó)是主要的硅材料生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)硅材料工業(yè)與日本同時(shí)起步，但總體而言，生產(chǎn)技術(shù)水平仍然相對(duì)較低，而且大部分為2.5、3、4、5英寸硅錠和小直徑硅片。中國(guó)消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進(jìn)口。但我國(guó)科技人員正迎頭趕上，于1998年成功地制造出了12英寸單晶硅，標(biāo)志著我國(guó)單晶硅生產(chǎn)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。目前，全世界單晶硅的產(chǎn)能為1萬(wàn)噸/年，年消耗量約為6000噸～7000噸。未來(lái)幾年中，世界單晶硅材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)： 1、微型化 隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場(chǎng)中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產(chǎn)品是200mm，逐漸向300mm過(guò)渡，研制水平達(dá)到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。Gartner發(fā)布的對(duì)硅片需求的5年預(yù)測(cè)表明，全球300mm硅片將從2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韓等國(guó)家都已經(jīng)在1999年開(kāi)始逐步擴(kuò)大300mm硅片產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球目前已建、在建和計(jì)劃建的300mm硅器件生產(chǎn)線約有40余條，主要分布在美國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等，僅我國(guó)臺(tái)灣就有20多條生產(chǎn)線，其次是日、韓、新及歐洲。%P 世界半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會(huì)（SEMI）的調(diào)查顯示，2004年和2005年，在所有的硅片生產(chǎn)設(shè)備中，投資在300mm生產(chǎn)線上的比例將分別為55%和62%，投資額也分別達(dá)到130.3億美元和184.1億美元，發(fā)展十分迅猛。而在1996年時(shí)，這一比重還僅僅是零。 2、國(guó)際化，集團(tuán)化，集中化 研發(fā)及建廠成本的日漸增高，加上現(xiàn)有行銷與品牌的優(yōu)勢(shì)，使得硅材料產(chǎn)業(yè)形成“大者恒大”的局面，少數(shù)集約化的大型集團(tuán)公司壟斷材料市場(chǎng)。上世紀(jì)90年代末，日本、德國(guó)和韓國(guó)（主要是日、德兩國(guó)）資本控制的8大硅片公司的銷量占世界硅片銷量的90%以上。根據(jù)SEMI提供的2002年世界硅材料生產(chǎn)商的市場(chǎng)份額顯示，Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市場(chǎng)總額的比重達(dá)到89%，壟斷地位已經(jīng)形成。 3、硅基材料 隨著光電子和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向。硅基材料是在常規(guī)硅材料上制作的，是常規(guī)硅材料的發(fā)展和延續(xù)，其器件工藝與硅工藝相容。主要的硅基材料包括SOI（絕緣體上硅）、GeSi和應(yīng)力硅。目前SOI技術(shù)已開(kāi)始在世界上被廣泛使用，SOI材料約占整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的30%左右，預(yù)計(jì)到2010年將占到50%左右的市場(chǎng)。Soitec公司（世界最大的SOI生產(chǎn)商）的2000年～2010年SOI市場(chǎng)預(yù)測(cè)以及2005年各尺寸SOI硅片比重預(yù)測(cè)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。 4、硅片制造技術(shù)進(jìn)一步升級(jí) 半導(dǎo)體,芯片,集成電路,設(shè)計(jì),版圖,芯片,制造,工藝目前世界普遍采用先進(jìn)的切、磨、拋和潔凈封裝工藝，使制片技術(shù)取得明顯進(jìn)展。在日本，Φ200mm硅片已有50%采用線切割機(jī)進(jìn)行切片，不但能提高硅片質(zhì)量，而且可使切割損失減少10%。日本大型半導(dǎo)體廠家已經(jīng)向300mm硅片轉(zhuǎn)型，并向0.13μm以下的微細(xì)化發(fā)展。另外，最新尖端技術(shù)的導(dǎo)入，SOI等高功能晶片的試制開(kāi)發(fā)也進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。對(duì)此，硅片生產(chǎn)廠家也增加了對(duì)300mm硅片的設(shè)備投資，針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則的進(jìn)一步微細(xì)化，還開(kāi)發(fā)了高平坦度硅片和無(wú)缺陷硅片等，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。 硅是地殼中賦存最高的固態(tài)元素，其含量為地殼的四分之一，但在自然界不存在單體硅，多呈氧化物或硅酸鹽狀態(tài)。硅的原子價(jià)主要為4價(jià)，其次為2價(jià)；在常溫下它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于單一的強(qiáng)酸，易溶于堿；在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，能與許多元素化合。 硅材料資源豐富，又是無(wú)毒的單質(zhì)半導(dǎo)體材料，較易制作大直徑無(wú)位錯(cuò)低微缺陷單晶。晶體力學(xué)性能優(yōu)越，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍將成為半導(dǎo)體的主體材料。 多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的電子材料，是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)極為重要的中間產(chǎn)品，是制造硅拋光片、太陽(yáng)能電池及高純硅制品的主要原料，是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料。 硅材料市場(chǎng)前景廣闊，中國(guó)硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國(guó)際公認(rèn)的事實(shí)，為世界和中國(guó)集成電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。[