1
硅材料的制备
导语：现阶段光伏行业，单晶硅电池和多晶硅电池是比较常见的两种太阳能电池，他们各有优缺点，近来集合两种电池优点于一身的准单晶电池逐渐进入人们的视野。生产制造这几种太阳能电池的原材料是硅锭，根据分类的不同，硅锭可以由多种不同的制备方法制得。硅锭再经过表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光和清洗等一系列工艺处理之后，加工成制造太阳能电池的基本材料——硅片。
一、单晶硅 1.概念
单晶硅，英文，Monocrystalline silicon ，是硅的单晶体。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。 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。
2
单晶硅 2.制备方法
单晶硅按晶体生长方法的不同，主要分为直拉法（CZ ）和区熔法（FZ ）。
直拉法：直拉法又称切克劳斯基法，它是在1917年有切克劳斯基（Czochralski ）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ 法。直拉单晶制造是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm 的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm
的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。
控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。
直拉法
区熔法：如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提炼，该项技术一般不用于GaAs。区熔法可以得到低至1011cm-1的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。
3
区熔法
直拉法与区熔法对比：通常来讲，CZ法的单晶拉制在国内比较普遍，且容易实现，主要是将多晶硅料放在坩埚中，加热后将融融态硅提拉出来，且单晶炉价格较FZ法拉制的设备便宜很多，FZ法时利用铜线圈将多晶硅园棒的料局部融化拉制，纯度较高。两者拉出的单晶所用的范围不太相同。
二．多晶硅
1.概念
4
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Array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。
2.制备方法
改良西门子法：西门子法是由德国Siemens公司发明并于1954年申请了专利1965年左右实现了工业化。经过几十年的应用和展，西门子法不断完善，先后出现了第一代、第二代和第三代，第三代多晶硅生产工艺即改良西门子法，它在第二代的基础上增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4回收氢化工艺，实现了完全闭环生产，是西门子法生产高纯多晶硅技术的最新技术，其具体
工艺流程如图1所示。硅在西门子法多晶硅生产流程内部的循环利用。
5
硅烷法：硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中，是硅
烷裂解并在晶种上沉积，从而得到颗粒状多晶硅。因硅烷制备方法不同，有
日本Komatsu发明的硅化镁法，其具体流程如图2所示、美国Union Carbide
发明的歧化法、美国MEMC采用的NaAlH4与SiF4反应方法。硅化镁法是
用Mg2Si与NH C1在液氨中反应生成硅烷。该法由于原料消耗量大，成本高，
危险性大，而没有推广，目前只有日本Komatsu使用此法。现代硅烷的制备
采用歧化法，即以冶金级硅与SiC14为原料合成硅烷，首先用SiCl4、Si和
H2反应生成SiHCl3 ，然后SiHCl3 歧化反应生成SiH2Cl2，最后由SiH2Cl2
进行催化歧化反应生成SiH4 ，
即：3SiCl4+ Si+ 2H2= 4SiHCl3，2SiHC13= SiH2Cl2+ SiC14，3SiH2C12=SiH4+ 2SiHC13。由于上述每一步的转换效率都比较低，所以物料需要多次循环，整个过程要反复加热和冷却，使得能耗比较高。制得的硅烷经精馏提纯后，通人类似西门子法固定床反应器，在800℃下进行热分解，反应如下：SiH4= Si+ 2H2。
硅烷气体为有毒易燃性气体，沸点低，反应设备要密闭，并应有防火、防冻、防爆等安全措施。硅烷又以它特有的自燃、爆炸性而著称。硅烷有非常宽的自发着火范围和极强的燃烧能量，决定了它是一种高危险性的气体。硅烷应用和推广在很大程度上因其高危特性而受到限制在涉及硅烷的工程或实验中，不当的设计、操作或管理均会造成严重的事故甚至灾害。然而，实践表明，过分的畏惧和不当的防范并不能提供应用硅烷的安全保障。因此，如何安全而有效地利用硅烷，一直是生产线和实验室应该高度关注的问题。
西门子法与硅烷法对比：硅烷热分解法与西门子法相比，其优点主要在于：硅烷较易提纯，含硅量较高(87.5%，分解速度快，分解率高达99%)，分解温度较低，生成的多晶硅的能耗仅为40 kW ·h/kg，且产品纯度高。但是缺点也突出：硅烷不但制造成本较高，而且易燃、易爆、安全l生差，国外曾发生过硅烷工厂强烈爆炸的事故。因此，工业生产中，硅烷热分解法的应用不及西门子法。改良西门子法目前虽拥有最大的市场份额，但因其技术的固有缺点—产率低，能耗高，成本高，资金投入大，资金回收慢等，经营风险也最大。只有通过引人等离子体增强、流化床等先进技术，加强技术创新，才有可能提高市场竞争能力。硅烷法的优势有利于为芯片产业服务，目前其生产安全性已逐步得到改进，其生产规模可能会迅速扩大，甚至取代改良西门子法。虽然改良西门子法应用广泛，但是硅烷法很有发展前途。
6
7
流化床法：流化床技术是美国MEMC Pasadena 公司开发的技术。目前该公
司生产能力为1400吨/年。该公司用硅烷作反应气体，在流化床反应器中硅
烷发生分解反应，在预先装入的细硅粒表面生长多晶硅颗粒。硅烷流化床技
术具有反应温度低（575~685°C ），还原电耗低（SiH4热分解能耗降至
10kWh/kg ，相当于西门子法的10%，），沉积效率高（理论上转化率可以达
到100%）、反应副产物（氢气）简单易处理等优点，而且流化床反应器能够
连续运行，产量高、维护简单，因此这种技术最有希望降低多晶硅成本，工
程分析表明这种技术制造的多晶硅成本可降低至20美元/公斤。
另外这种技术产品为粒状多晶硅，可以在直拉单晶炉采用连续加料系统，降低单晶硅成本，提高产量。根据MEMC 公司统计，使用粒状多晶硅，同时启动再加料系统，单晶硅制造成本降低40%，产量增加25%。因此业界普遍看好流化床技术，被认为是最有希望大幅度降低多晶硅以及单晶硅成本的新技术，目前包括美国REC 德国WACKER 等传统多晶硅大厂目前都在开发这项技术。
美国联合碳化合物公司以SiCl4、H2、HCl 和工业硅为原料，在高温高压流化床内（沸腾床）生成SiHCl3，将SiHCl3再进一步歧化加氢反应生成SiH2Cl2，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。由于在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，故该方法生产效率高、电耗低、成本低。该方法的缺点是安全性较差，危险性较大，且产品的纯度也不高。不过，它还是基本能满足太阳能电池生产的使用。故该方法比较适合大规模生产太阳能级多晶硅。
挪威R E C 公司利用硅烷气为原料，采用流化床反应炉闭环工艺分解出颗粒状多晶硅，且基本上不产生副产品和废弃物。REC 还积极致力于新型流化床反应器技术（FBR ）的开发，该技术使多晶硅在流化床反应器中沉积，而不是在传统的热解沉积炉或西门子反应器中沉积，因而可极大地降低建厂投资和生产能耗。
德国瓦克公司开发了一套全新的粒状多晶硅流体化反应器技术生产工艺。该工艺基于流化床技术（以三氯硅烷为给料），已在两台实验反应堆中进行了工业化规模生产试验，瓦克公司投资了约2亿欧元，在德国博格豪森建立新的超纯太阳能多晶硅工厂， 2010年达到11 500t 的产能。
另外，美国Hemlock 公司将开设实验性颗粒硅生产线来降低硅的成本，Helmlock 公司计划在2010年将产能提高至19 000t 。MEMC 公司则计划在2010年底其产能达到7000t 左右。
冶金法：利用冶金法提纯多晶硅受到非常大的重视。主要原因是冶金法提纯的成本很低，主要技术都是现有冶金级硅生产厂已采用的技术（如酸滤、熔化/
凝
固、成渣/除渣等等）。尽管冶金法提纯多晶硅还未完全成熟，
据资料报导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。
目前日本、美国、加拿大、挪威等国正在开发这项技术，我国也有许多公司积极研发。但由于工业硅中影响太阳能电池电学性能的P、B等电活性杂质很难去除，工艺很难控制，且大规模电子束、等离子体精炼技术并不成熟，加之反复定向凝固要去除杂质聚集的部分，导致硅的利用率很低，成本升高，因此这种技术前景不容乐观。
准单晶简介
准单晶（Mono Like ）是基于多晶铸锭的工艺，在长晶时通过部分使用单晶籽晶，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术。
准单晶主要有两种铸锭技术：
（1）无籽晶铸锭。无籽晶引导铸锭工艺对晶核初期成长控制过程要求很高。一种方法是使用底部开槽的坩埚。这种方式的要点是精密控制定向凝固时的温
8
度梯度和晶体生长速度来提高多晶晶粒的尺寸大小，槽的尺寸以及冷却速度决定了晶粒的尺寸，凹槽有助于增大晶粒。因为需要控制的参数太多，无籽晶铸锭工艺显得尤为困难。
（2）有籽晶铸锭。当下量产的准单晶技术大部分为有籽晶铸锭。这种技术先把籽晶、硅料掺杂元素放置在坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部，再加热融化硅料，并保持籽晶不被完全融掉，最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。
详细信息请看准单晶技术专题>>
四．硅片的加工
将硅锭加工成制造太阳能电池需要的硅片，需要经过滚磨、切割、研磨、倒角、化学腐蚀、抛光，以及几何尺寸和表面质量检测等工序。
①滚磨
切片前先将硅单晶棒研磨成具有精确直径的单晶棒,再沿单晶棒的晶轴方向研磨出主、次参考面,用氢氟酸、硝酸和冰醋酸的混合液腐蚀研磨面，称为减径腐蚀。②切割
也称切片，把硅单晶棒切成所需形状的硅片（如圆片）的工艺。切割分多线切割、外圆切割、超声切割、电子束切割和普遍采用的内圆切割等。
③研磨
也称磨片，在研磨机上，用白刚玉或金刚砂等配制的研磨液将硅片研磨成具有一定厚度和光洁度的工艺。有单面研磨和双面研磨两种方式。
④倒角
为解决硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降，以及光刻涂胶和外延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺。倒角方法有磨削、喷砂、化学腐蚀和恰当的抛光等，较普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削硅片边缘，直到硅片边缘形状与轮的形状一致为止。
⑤化学腐蚀
也称减薄腐蚀，目的是除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面质量和⑥抛光
为了制备合乎器件和集成电路制作要求的硅片表面，必须进行抛光，以除去残留
9
提高表面平整度。化学腐蚀法有篮式、桶式、旋转杆式和盒式，采用氢氟酸、硝酸和冰醋酸的混合液从硅片两侧腐蚀掉一定的厚度。的损伤层并获得一定厚度的高平整度的镜面硅片。抛光分机械抛光、化学抛光、电子束抛光、离子束抛光，较普遍采用的是化学机械抛光。化学机械抛光是化学腐蚀和机械磨削同时进行，分为铜离子抛光、铬离子抛光和普遍采用的二氧化硅胶体抛光。二氧化硅胶体抛光是由极细的二氧化硅粉、氢氧化钠（或有机碱）和水配制成胶体抛光液。在抛光过程中，氢氧化钠与硅表面反应生成硅酸钠，通过与二氧化硅胶体的磨削，硅酸钠进入抛光液，两个过程不停顿地同时进行而达到抛光的目的。根据不同要求，可用一次抛光、二次抛光(粗抛光和精抛光)或三次抛光（粗抛光、中间抛光和精抛光）。为满足超大规模集成电路对表面质量和平整度的要求，已有无蜡抛光和无磨料抛光等新工艺。
硅抛光片检测
包括目检、几何尺寸检测和热氧化层错检测等。目检是在正面高强度光或大面积散射光照射下目测抛光片上的原生缺陷和二次缺陷。这些缺陷包括边缘碎裂、沾污、裂纹、弧坑、鸦爪、波纹、槽、雾、嵌入磨料颗粒、小丘、桔皮、浅坑、划道、亮点、退刀痕和杂质条纹等。几何尺寸的检测包括硅片的厚度、总厚度变化、弯曲度和平整度的检测。厚度为硅片中心上、下表面两个对应点之间的距离；总厚度变化为同一硅片上厚度最大值与最小值之差；弯曲度为硅片的中线面与参考平面之间距离的最大值与最小值之差；平整度指硅片表面上最高点与最低点的高度差，用总指示读数表征。硅片的热氧化层错检测是指硅抛光片表面的机械损伤、杂质沾污和微缺陷等在硅片热氧化过程中均会产生热氧化层错，经择优腐蚀后，在金相显微镜下观测热氧化层错的密度，以此鉴定硅片表面的质量。
五．单晶硅、多晶硅和准单晶电池的比较
10
Copyright ? 2011 SOLAR ZOOM光伏太阳能网站长统计
11
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，主要讲授晶体材料制备过程的基本原理和典型的晶体材料制备技术，为学生从事晶体材料制备工作提供理论基础和技术基础。 2.设计思路： 晶体材料是高新技术不可或缺的重要材料，晶体材料制备是材料科学与工程专业相关的重要生产领域。作为一门以拓展学生知识面为目的的选修课程，本课程分为三大部分：首先介绍典型的晶体材料制备方法和技术，通过课下查阅资料和课堂讨论加深学生对常见方法和技术的理解。此部分教师讲解和学生课堂讨论并重。然后介绍晶体材料制备过程中的一般原理，此部分主要由教师进行课堂讲授。最后，由学生自主查阅晶体材料制备最新文献，了解晶体材料制备技术最新进展，通过课下研读、课上汇报、讨论、教师点评等教学活动，加深学生对本课程中所学知识的理解及相关知识的综合运用。 - 3 -
3. 课程与其他课程的关系： 晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，是材料制备与合成工艺课程相关内容的细化和深入。 二、课程目标 本课程的目标是拓宽材料科学与工程专业学生的知识面，掌握晶体材料制备一般原理，了解晶体材料制备常见技术，加深对物理、化学、晶体化学以及材料表征等先修课程知识的理解，加强文献检索能力，学会分析晶体材料制备中遇到的问题，提高解决生产问题的能力，为毕业后从事晶体材料制备等生产和研究工作打下基础。 三、学习要求 晶体材料制备原理与技术是一门综合了物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试与表征等多学科知识的综合性课程。为达到良好的学习效果，要求学生：及时复习先修课程相关内容，按时上课,上课认真听讲，积极查阅资料，积极参与课堂讨论。本课程将包含较多的资料查阅、汇报、讨论等课堂活动。 四、教学进度 - 3 -
门户--黄页--价格监测--光伏杂志--专题 导语：现阶段光伏行业，单晶硅电池和多晶硅电池是比较常见的两种太阳能电池，他们各有优缺点，近来集合两种电池 优点于一身的准单晶电池逐渐进入人们的视野。生产制造这几种太阳能电池的原材料是硅锭，根据分类的不同，硅锭可 以由多种不同的制备方法制得。硅锭再经过表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光和清洗等一系列工艺处理之后， 加工成制造太阳能电池的基本材料——硅片。 一、单晶硅
1.概念 单晶硅，英文，Monocrystalline silicon，是硅的单晶体。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。 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 2.制备方法 单晶硅按晶体生长方法的不同，主要分为直拉法（CZ）和区熔法（FZ）。 直拉法：直拉法又称切克劳斯基法，它是在1917年有切克劳斯基（Czochralski）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ法。直拉单晶制造是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续
结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。 控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。 直拉法
薄膜混合集成电路的制作工艺 中心议题：多晶硅薄膜的制备 摘要：本文主要介绍了多晶硅薄膜制备工艺，阐述了具体的工艺流程，从低压化学气相沉积(LPCVD)，准分子激光晶化(ELA)，固相晶化（SPC）快速热退火(RTA)，等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD等，进行详细说明。 关键词：低压化学气相沉积(LPCVD)；准分子激光晶化(ELA)； 快速热退火(RTA)等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD) 引言 多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于600℃,衬底使用昂贵的石英，但制备工艺较简单。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃作衬底，因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。 1薄膜集成电路的概述
在同一个基片上用蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺制成无源网路,并组装上分立微型元件、器件,外加封装而成的混合集成电路。所装的分立微型元件、器件，可以是微元件、半导体芯片或单片集成电路。 2物理气相沉积-蒸发 物质的热蒸发利用物质高温下的蒸发现象，可制备各种薄膜材料。与溅射法相比，蒸发法显著特点之一是在较高的真空度条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，且可确保所制备的薄膜具有较高纯度。 3 等离子体辅助化学气相沉积--PECVD
传统的CVD技术依赖于较高的衬底温度实现气相物质间的化学反应与薄膜沉积。PECVD在低压化学气相沉积进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响。促进反应、降低温度。 降低温度避免薄膜与衬底间不必要的扩散与化学反应；避免薄膜或衬底材料结构变化与性能恶化；避免薄膜与衬底中出现较大的热应力等。 4低压化学气相沉积(LPCVD)
中国半导体硅材料行业研究 -行业发展环境、技术、特征及行业上下游 行业发展环境 1、有利因素 （1）国家政策大力支持 半导体产业是对信息安全、国民经济极其重要的战略性产业，近几十年来，中国在半导体领域实现了飞速发展，并成为中国信息产业的核心。近年来国家高度重视半导体产业的发展并出台了一系列政策，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划（2016-2020 年）》、《“十三五”国家信息化规划》等产业政策均将半导体产 业列为重点发展领域；《国家集成电路产业发展推进纲要》的出台，为中国集成电路产业实现跨越式发展注入了强大动力。《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录（2016 版）》、《战略性新兴产业分类（2018）》的发布，明确了关键 电子材料之一的半导体硅材料作为战略性新兴产业重点产品，同时提出要重点发展快恢复二极管（FRD）、发光二极管（LED）、功率肖特基二极管等电子元器件，此外还新增了半导体晶体制造，明确将电子级单晶硅片作为战略性新兴产业。国家政策的支持为半导体硅材料行业的发展奠定了坚实的基础，创造了良好的政
策环境。 （2）下游行业需求旺盛 半导体硅材料的下游需求为集成电路和分立器件领域，最终应用于消费电子、汽车电子、家用电器、通讯安防、绿色照明、新能源等终端产品中。随着电子信息产品的逐步普及，终端产品的持续更新和升级，智能手机、平板电脑、数字电视、汽车电子、个人医疗电子、物联网、三网合一等成为半导体产业发展的动力，并带动相关的材料、设备产业的发展。在下游市场强劲需求的带动下，全球现有的半导体硅片产能无法满足下游半导体芯片的需求，因此国内外各大厂商均加大投资，扩大产能。在国家政策的支持、全球半导体产业转移的大趋势、电子信息化的不断深化发展背景下，半导体分立器件和集成电路行业有望持续发展，保持增长，这为核心材料半导体硅片市场的发展提供了广阔的前景。
高活性氧化镁的制备与应用 The preparation and application of highly active magnesium oxide Zhao xian tang （College of Science and Metallurgical Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Hubei,， Wuhan,，430081) 摘要：本文论述了高活性氧化镁的特性、制备方法、活性测定及活性影响因素，主要就制备方法进行探讨，了解熟悉高活性氧化镁的生产过程，思考寻求制备更好的高活性氧化镁。 关键词：高活性氧化镁制备 Abstract：This paper discusses the characteristics of the high-activity magnesium oxide, preparation methods, determination of activity and active factors affecting, which mainly discusses the preparation methods, in order to familiar with the production process of highly active magnesium oxide and think for the preparation of highly active magnesium oxide. Keywords: high-activity magnesium oxide preparation method 引言 活性氧化镁的比外表积较大，是制备高功用精密无机材料、电子元件、油墨、有害气体吸附剂的重要质料。这种氧化镁因为其颗粒微细化，外表原子与体相原子数的份额较大而具有极高的化学活性和物理吸附才能。因为具有杰出的烧结功能，
中国硅材料产业现状分析 有研半导体材料股份有限公司供稿 硅材料是制造半导体器件和太阳能电池的关键材料，面对着两个发展着的产业，一个是半导体产业，一个是太阳能光伏产业。半导体产业已经从原来周期性大起大落，平均增速达17%左右，步入一个增速减缓、起伏不大的新时代。而光伏产业正处在以平均30%的年增长速度迅猛发展的时代。作为这两大产业的主要原料，多晶硅紧缺的局面近期内仍将持续。 1 半导体硅片产业 （1）全球半导体硅产业 全球硅片材料生产，主要集中在日、美、德三国，其他还有韩国、马来西亚、芬兰、中国大陆和中国台湾地区。生产的硅片主要有抛光片、外延片、回收片、SOI片及非抛光片等。根据SEMI硅制造商团体(SEMI SMG)最新统计,2007年世界半导体用硅片的产量为86.61亿平方英寸（1英寸=25.4毫米）销售额为121亿美元，产量和销售额增长率分别为8%和21%。世界硅片出货量经历了连续6年的增长。2002-2007年世界硅片的产量和销额如表1所示： 表1 2002-2007年世界硅片的产量和销售额 2002 2003 2004 2005 2006 2007 销售额/亿美元 55 58 73 79 100 121 产量/亿英寸246.81 51.49 62.62 66.45 79.96 86.61 其中: 抛光片 35.21 38.21 46.57 外延片 9.43 11.11 13.63 14.44 18.21 非抛光片 2.17 2.26 2.42 2.25 2.54 注：抛光片包括正片、陪片，但不包括回收片。 从表1可见，在全球硅硅片总交货面积中抛光片约占75%，硅外延片约占
有人提出硅时代的核心法则“摩尔定律”其实讲的不是数据科学，而是材料学每隔18个月就能将芯片的组成成分翻倍。 材料科学一直是物质进步的基础，无论是石器时代、青铜时代还是铁器时代，都是以人类制造和使用的材料来命名的。但是进入“硅时代”后，难道科技进步就只存在于如何控制二进制的1和0吗？ 答案是否定的。今天，材料问题比以往任何时候都更重要。北京理工大学材料学院曹传宝教授告诉记者，现在虽然不再以材料发展来划分时代，但是材料依然是各个学科的基础，没有材料学其他学科都发展不起来。 “比如我们生活中必不可少的计算机，它的芯片就是以硅材料为基础的，有了先进的硅才能发展数字技术。而能源方面的太阳能电池也是取决于材料的转换效率。因此材料发展是其他学科的助力。”曹传宝说，“医学上的人造器官也是用材料做成的，像透析用的人工肾其实与生物的关系已经不大了，主要就是看吸附材料的发展。目前这方面材料还不理想，制约了人工器官的发展，由此看出如果材料学进步缓慢也会成为其他学科的‘瓶颈’。” 一直以来，单独材料本身只能粗放使用，只有与其他科技结合才能产生更高的价值。在硅时代，材料学与其他学科交叉将越来越普遍。“就像现在已经有与生物交叉的生物材料学，与计算机交叉的计算材料学等，”曹传宝说。 鉴于材料的重要作用，有人提出硅时代的核心法则“摩尔定律”其实讲的不是数据科学，而是材料学每隔18个月就能将芯片的组成成分翻倍。像芯片一样，目前实验室中更智能、更安全、更结实的材料未来都有可能改变我们的生活。 电子皮肤 皮肤的作用不仅在于保护身体，还能帮我们传导感觉。通过把电子材料变得柔软和肉感，工程师已经发现了一种方法使得人工移植皮肤和假肢也能有感觉。美国伊利诺斯州大学的研究者创造了一种足够轻薄柔韧的电路，把它覆盖在手指尖，可以将压力转换成电子信号。 目前，斯坦福大学开发的一款凝胶可以储存电能，用作可塑性电池。卡内基梅隆大学carmel majidi教授也正在研制把橡胶变为压力和摩擦力的传感器，他把液体金属槽放进橡胶里，一旦液体流动，电流就会发生变化。此外，电子皮肤还可以用于人类之外的更宽广领域，比如用这种工程学方法使机器人更逼真、更具有人类特性。 蜘蛛丝移植 看过《蜘蛛侠》的人都知道蜘蛛丝比钢铁还强韧，而人体自身的组织却很脆弱、容易撕裂。美国犹他州，研究人员正在用蜘蛛丝修复受损的肩膀和膝盖。他们培育转基因羊以生产大量蜘蛛丝蛋白，纺成股，做出仿蜘蛛丝纤维。这些纤维保留了蜘蛛丝特有的延展性，同时比人类韧带和筋腱分别强劲100倍和20倍。让移植的骨骼更加强韧，麻省理工学院研究员已经成功地将蜘蛛丝蛋白和胶原蛋白组合在一起。研究人员估计，2030年以前蜘蛛丝移植技术将批准对人类使用。 能发电的运动鞋 早在100年前，工程师就尝试通过发电器将机械能转化为电能，但是直到现在通过反复走动产生的能量依然不足以给一个ipod充电。主要原因在于目前制作发电器的压电材料不仅难以生产，还含有有毒金属，比如镍和铅。 如今，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员一次性解决了这两个难题，他们使用的方法是采用经过特殊处理的无害病毒，这种病毒可以自发形成一层膜覆盖在发电器上。把它装进鞋里，走路时发电器感受到压力，病毒的螺旋蛋白就会旋转、扭曲，产生电荷。邮票大小的病毒压电材料样本可以产生400毫伏电力，足够点亮一个小lcd显示屏。未来5-10年，这项技术可帮助振动产生的能量来发电，如建筑物的振动和心跳，包括给ipod充电。
《材料制备与合成[料]》课程简介 课程编号：02034916 课程名称：材料制备与合成/Preparation and Synthesis of Materials 学分: 2.5 学时：40 （课内实验(践)：0 上机：0 课外实践：0 ） 适用专业：材料科学与工程 建议修读学期：6 开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系 课程负责人：方道来 先修课程：材料化学基础、物理化学、材料科学基础、金属材料学 考核方式与成绩评定标准：期末开卷考试成绩（占80%）与平时考核成绩（占20%）相结合。 教材与主要参考书目： 教材：《材料合成与制备》. 乔英杰主编.国防工业出版社，2010年. 主要参考书目：1. 《新型功能材料制备工艺》, 李垚主编. 化学工业出版社，2011年. 2. 《新型功能复合材料制备新技术》.童忠良主编. 化学工业出版社，2010年. 3. 《无机合成与制备化学》. 徐如人编著. 高等教育出版社, 2009年. 4. 《材料合成与制备方法》. 曹茂盛主编. 哈尔滨工业大学出版社，2008年. 内容概述： 本课程是材料科学与工程专业本科生最重要的专业选修课之一。其主要内容包括：溶胶-凝胶合成法、水热与溶剂热合成法、化学气相沉积法、定向凝固技术、低热固相合成法、热压烧结技术、自蔓延高温合成法和等离子体烧结技术等。其目的是使学生掌握材料制备与合成的基本原理与方法，熟悉材料制备的新技术、新工艺和新设备，理解材料的合成、结构与性能、材料应用之间的相互关系，为将来研发新材料以及材料制备新工艺奠定坚实的理论基础。 The course of preparation and synthesis of materials is one of the most important specialized elective courses for the undergraduate students majoring in materials science and engineering. It includes the following parts: sol-gel method, hydrothermal/solvothermal reaction method, CVD method, directional solidification technique, low-heating solid-state reaction method, hot-pressing sintering technique, self-propagating high-temperature synthesis, and SPS technique. Its purpose is to enable students to master the basic principles and methods of preparation and synthesis of materials, and grasp the new techniques, new processes and new equipments, and further understand the relationship among the synthesis, structure, properties and the applications of materials. The course can lay a firm theoretical foundation for the research and development of new materials and new processes in the future for students.
原理以及制备工艺的 资料
1.2 有机电致发光二极管结构及其发光原理 有机电致发光二极管是将电能转化成光能的器件，属于电荷注入型发光器件。其基本结构如上文所述为夹心结构[Error! Bookmark not defined.]，最简单的结构是一个发光层薄膜（EML）加在正负两个电极之间，正负电荷分别从两个电极注入到发光层中并进行复合发光。发光的过程大致可以总结为下面5个步骤： 1.载流子的注入； 2.载流子的传输； 3.激子的产生； 4.激子的迁移和衰减（辐射衰减）； 5.激子的出射（光的耦合输出） 1.载流子的注入：在正向偏压的作用下，空穴从金属阳极费米能级(φa)注入到发光层的最高未占有轨道（HOMO），而电子从金属阴极费米能级(φc）注入到发光层的最低未占有轨道（LUMO）。形成PLED的正向和负向两种载流子。 载流子注入时，空穴要克服阳极与发光层HOMO之间的能量势垒，而电子要克服阴极与发光层LUMO能级之间的能量势垒，势垒越小，载流子越容易注入，因此金属电极的功函数要与发光层的HOMO和LUMO相匹配。当势垒高度小于0.3-0.4eV时可认为该接触为欧姆接触[i]，此时可以认为载流子的注入是没有势垒的。电致发光器件要求两个电极至少一段是透明，光可以由此段出射。作为底端出射结构，氧化铟锡（ITO）由于具有较高的透光率和优良的导电率以基脚高的功函数，通过溅射的方法，制备成ITO玻璃被广泛用作阳极。
而阴极则常用一些具有较高发射率的低功函数金属，例如钡，钙，镁，铯等[ii，iii，iv]。图1-1给出了典型器件结构的相应能级示意图。[v]但是一般的聚合物发光材料的HOMO和LUMO与阳极和阴极的能级匹配并不是最理想的状态，存在载流子的注入势垒，导致器件高的起亮电压，高的能耗和低的器件性能。 图1-1 器件的能级结构示意图[14] Fig.1-1 The sketch of PLED’s energy level[14] 载流子的注入有两种理论机制，分别是隧穿机制[vi，vii，viii ]和空间电荷限制效应机制[ix，x，xi]。一般情况下，当载流子的注入都不存在势垒时的载流子注入机制符合空间电荷限制效应理论。即此时的注入情况取决于发光层材料的载流子迁移率，低的载流迁移率会导致电荷在界面层的积累，阻止载流子的进一步注入[xii，xiii，xiv]。当界面的接触不是欧姆接触时，要将加在器件上的电场增大到一定的程度才能使载流子注入，载流子开始注入时的电压称为阈值电压，阈值电场的大小取决于注入的能量势垒的高低，此时的载流子注入机制符合隧道贯穿机制。但是，实际情况下这两种载流子注入情况并不是孤立存在的。 2.载流子的传输：诸如的载流子在电场作用下，在器件中向对面的电极迁移。
1 硅材料的制备 导语：现阶段光伏行业，单晶硅电池和多晶硅电池是比较常见的两种太阳能电池，他们各有优缺点，近来集合两种电池优点于一身的准单晶电池逐渐进入人们的视野。生产制造这几种太阳能电池的原材料是硅锭，根据分类的不同，硅锭可以由多种不同的制备方法制得。硅锭再经过表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光和清洗等一系列工艺处理之后，加工成制造太阳能电池的基本材料——硅片。 一、单晶硅 1.概念 单晶硅，英文，Monocrystalline silicon ，是硅的单晶体。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。 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。
2 单晶硅 2.制备方法 单晶硅按晶体生长方法的不同，主要分为直拉法（CZ ）和区熔法（FZ ）。 直拉法：直拉法又称切克劳斯基法，它是在1917年有切克劳斯基（Czochralski ）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ 法。直拉单晶制造是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm 的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm 的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。
N型硅太阳能电池材料整理从理论上来讲，不管是硼掺杂的P型硅片或是磷掺杂的N型硅片都可以用来制备太阳能电池，但是现在世界上大部分的晶体硅太阳能电池生产厂家都采用掺硼的P型硅片生产太阳能电池。因为N型硅片制备的太阳能电池开路电压和填充因子较低，并且长期使用或存放时N型硅片太阳能电池性能会有所退化，而在P 型硅片上形成N+发射结比在N型硅片上形成P+发射结在工业化生产上更容易实现。 目前主流工业化生产的P型硅太阳能电池转换效率已经可以稳定在18%以上，要想在不增加成本的情况下再提高效率已经非常困难，于是人们把眼光转向少数载流子寿命比P型硅高的多的N型硅，并取得了很大进展。 一、N型硅的优点 P型硅太阳能电池具有转换效率高，技术成熟等优点，占有世界太阳能电池产量的绝大部分。但在制造过程中，扩散制结工艺需要在温度约1000℃进行，工艺复杂，成品率低。而N型硅太阳能电池生产工艺可在200℃以下进行。符合低成本、高产量、高效率的要求。 其次，相同电阻率的N型硅片的少数载流子寿命比P型硅片高。（注：少数载流子寿命反映了太阳能电池表面和基体对光生载流子的复合程度，即反映了光生载流子的利用程度，少数载流子寿命越高，太阳能电池的短路电流、开路电压也会提高。是太阳能电池设计、生产的重要参数，但其会受到高温处理过程的影响。） 第三，N型硅片对金属污染的容忍度要高于P型硅片。 二、N型硅片的缺点 N型硅片制备的太阳能电池开路电压和填充因子较低。（注：填充因子是衡量电池输出特性的重要指标，代表电池在最佳负载时所能输出的最大功率，其值越大表明太阳能电池的输出特性越好。）由于N型硅片需要硼元素形成PN结，对于P+发射结这样的太阳能电池结构表面复合严重，并且长期使用或存放时性能会有所退化，而常规的表面钝化手段均无明显效果。但是J．Benick等人利用Al2O3作为钝化层获得了良好的钝化效果。他们采用PERL结构，在N型FZ硅片
硅原料是从哪里提炼出来的 制备 工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。 硅是地球上储量第二的化学元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。但高纯度多晶硅在我国却十分短缺，绝大部分需要依赖进口。 高纯度硅在石英中提取，以单晶硅为例，提炼要经过以下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。 冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%，但半导体工业用硅还必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10^(-10)%以下。而在提纯过程中，有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。 事实上，我国每年都从石英石中提取大量的工业硅，以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料，以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。 新光硅业2001年在四川乐山投建，是我国第一条千吨多晶硅生产线，规划年产1260吨的多晶硅。 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)+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+Si(粗) 2.这些粗硅中往往含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质可以用盐酸除去: Mg+2HCl==MgCl2+H2 MgO+2HCl==MgCl2+H2O Mg2Si+4HCl==2MgCl2+SiH4
第一章 1、1 溶胶凝胶 1、什么是溶胶——凝胶？ 答：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。 2、基本原理（了解） 3、设备：磁力搅拌器、电力搅拌器 4、优点：该方法制备块体材料具有纯度高、材料成分易控制、成分多元化、均匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等 5、工艺过程：自己看 6、工艺参数：自己看 2、1水热与溶剂热合成 1、水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境。 2、溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。 3、优点：a、在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧
化过程或水中氧的污染； b、非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大； c、由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶； d、由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，且不受破坏。同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料 4、生产设备： 高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；（分类自己看),高压容器一般用特种不锈钢制成, 5、合成工艺：选择反应物核反应介质——确定物料配方——优化配料顺序——装釜、封釜——确定反应温度、压力、时间等试验条件——冷却、开釜——液、固分离——物相分析 6、水热与溶剂热合成存在的问题：1、无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。2、设备要求高耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬、技术难度大温压控制严格、成本高。3、安全性差，加热时密闭反应釜中流体体积膨胀，能够产生极大的压强，存在极大的安全隐患。 7、水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型： a、“均匀溶液饱和析出”机制 b、“溶解-结晶”机制 c、“原位结晶”机制
SOI绝缘体上硅材料的应用与发展 1. 前言 2006年随着65纳米工艺的成熟，英特尔公司65纳米生产线步入大批量生产阶段。除英特尔外，美国德州仪器、韩国三星、日本东芝等世界上重要的半导体厂商的65纳米生产线也纷纷投产。45纳米处在研发阶段，如英特尔己有两座12英寸厂开始试产，估计到2010年进入量产。集成电路发展到目前极大规模的纳米技术时代，要进一步提高芯片的集成度和运行速度，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前在材料方面重点推动的绝缘体上的硅(SOI，Silicon-on-insulator)等，被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一，是维持Moore定律走势的一大利器。图1为国际上SOI 材料头号供应商--法国Soitec公司给出的先进材料的发展路线图。SOI、绝缘体上应变硅(sSOI)和绝缘体上锗(GOI)将成为纳米尺度极大规模集成电路的高端衬底材料。 2. SOI 材料的优点 绝缘体上的硅（SOI，silicon-on-insulator)指的是绝缘层上的硅。它是一种具有独特的“Si/绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料。它通过绝缘埋层（通常为SiO2）实现了器件和衬底的全介质隔离，在器件性能上具有以下优点： 1) 减小了寄生电容，提高了运行速度。与体硅材料相比，SOI 器件的运行速度提高了20-35%； 2) 具有更低的功耗。由于减小了寄生电容，降低了漏电，SOI 器件功耗可减小35-70%； 3) 消除了闩锁效应； 4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误的发生； 5) 与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序。
2、举例说明晶体缺陷主要类型。 晶体缺陷主要包含有以下四种，分别为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷点缺陷：弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷 线缺陷：位错（棱位错、刃位错、螺旋位错） 面缺陷：层错（外延层错、热氧化层错） 4、简述光生伏特效应。 1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结； 2）p、n区都产生电子一空穴对，产生非平衡载流子； 3）非平衡载流子破坏原来的热平衡； 4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散； 5）若p-n结开路，在结的两边积累电子一空穴对，产生开路电压。 5、简述硅太阳能电池工作原理。 当拥有等于或者大于硅材料禁带宽度的光子照射到硅材料上，在价带上的电子吸收这个光子 的能量，跃迁到导帶上，并且在价带上留下一个空穴。即是在禁带两端产生了电子一空穴对。而硅电池本身即为一个PN结，产生的电子一空穴对即是注入的非平衡载流子，在内建电场的作用下，非平衡载流子分离，产生电流并在在整个硅电池两端形成电压。 6、如何从石英砂制取硅？简要框图说明从石英到单晶硅的工艺。 工业硅制备原理： 多晶硅生产工艺：法、硅烷法、流化床法、改良西门子法（、、） 单晶硅的生长 7、简述半导体硅中的杂质对其性能的影响. 本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子构成四个共价键，当掺入少量的五价原子（如P、As）时，就形成了n型半导体，由量子力学知识可知，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，DEt> 10-2eV，极易形成电子导电。则半导体中的电子变为主要 载流子，在室温下，除了本征激发之外还受到杂质电离的影响，载流子浓度增加，使半导体的电导率上升；而当掺入的杂质为三价原子时（如 B Ga In等），多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，DED- 10-2eV，极易形成空穴导电，空穴为其主要载流子，与N型材料类似的，在室温下，由于杂志电离效果的存在，掺杂后的半导体硅的载流子浓度增大，电导率 增大。 8、以P掺入Si为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和N型半导体。 P掺入Si ,其中施主杂志是P原子。掺杂过程中，一个磷原子占据了一个硅原子的位置，并与周围的四个硅原子，还剩余一个价电子。同时磷原子所在的位置也多余了一个正电荷，此处即为正电中心，多余的电子在电离前就被束缚在这个正电中心的周围。但是，这种束缚相 对于共价键来说仍是微弱的，少量的能量就能使该电子从被束缚的状态变为自由电子，其过程被称为杂志电离。正因为杂志电离需要的能量远低于从共价键中解放一个电子的能量，常温下，由于电离产生了大量的自由电子，把此类主要依靠电子导电（主要载流子为电子）的
《硅材料与晶圆技术》课程教学大纲 一、课程基本情况 二、课程性质与作用 《硅材料与晶圆技术》是光电技术学院应用物理学和材料物理专业的专业方向选修课，是材料科学与工程学科工程领域技术人员的基本知识和基本能力的重要组成部分。通过本课程的学习，使学生了解硅材料的基本性质、硅材料制备基础理论，掌握多晶硅生产技术、单晶硅制备原理及方法，理解硅片加工技术，为将来工作打下良好的基础。 本课程与《新能源材料》、《光伏器件和光伏技术》、《材料性能学》、《现代测试分析技术》一起为《材料性能课程设计》和《光电子器件综合设计》提供必要的理论基础，为本专业工程实践一级和二级项目开展提供理论与研究方法的指导。 三、培养目标与标准 通过《硅材料与晶圆技术》课程的学习，使学生了解硅材料的基本性质、硅材料制备基础理论，掌握多晶硅生产技术、单晶硅制备原理及方法，理解硅片加工技术，为将来从事相关研究和实际工作打下良好的基础。 本课程具体完成培养方案中以下指标，重点完成指标1.3、4.3、4.5。
注：该表所列指标可对照培养方案中所列指标来解释。I：介绍，指从教、学活动中、从生活经验和社会经验等多种信息渠道获得知识，侧重知识的获取，没有实训要求。T：讲授，指教、学活动中由教师引导开展的基础测试或练习，匹配有课程讨论、课后研讨等环节。U：运用，指以学生为主导，通过实践而形成的对完成某种任务所必须的活动方式，匹配有课程的三级项目或其它实践环节。 四、理论教学内容与学时分配
五、实践教学内容与学时分配 本课程开出的实践项目详见下表： 六、学业考核 七、其他说明 建议材料物理专业先修课程选修《新能源材料》，应用物理学专业选修《材料制备工艺学》和《光伏器件与光伏技术》。 相关信息可访问硅材料国家重点实验室：https://www.doczj.com/doc/65392264.html,/
材料合成工艺设计 设计题目： 碳热还原法制备纳米Si3N4粉末工艺设计 学生姓名：胡魁 学号：20110412310042 专业班级：材料科学与工程（11理实） 指导老师：陈永 完成日期：2014年6月9日
目录： 碳热还原法制备Si3N4粉末工艺设计 一、引言 (3) 二、设计原理和反应原理 (3) 三、工艺过程及流程图说明与论证 (7) 1、工艺过程 (7) 2、方案说明 (8) 3、工艺流程图 (9) 四、物料衡算 (9) 五、热量衡算 (10) 六、设备选型及依据 (12) 七、生产车间（实验室）布置 (13) 八、对设计的评述及体会 (13) 九、致谢 (14) 十、参考文献 (15)
一、引言 Si3N4基陶瓷是一种典型的高温结构材料，具有密度高、热膨胀系数小、硬度大、高弹性模量以及热稳定性、化学稳定性和电绝缘性好等特点,已广泛应用到汽车、机械、冶金和化学工程等领域,并逐渐渗透到空间技术、海洋开发、电子技术、医疗卫生、无损检测、自动控制、广播电视等多个尖端科学领域。但作为高温结构材料，它还存在抗机械冲击强度低、容易发生脆性断裂等缺点，要得到性能优异的Si3N4陶瓷材料,首先必须制备出高纯超细的Si3N4粉末。 Si3N4粉末的制备方法有很多,目前人们研究最多的有下列几种:1)硅粉直接氮化法;2)热分解法;3)碳热还原氮化法;4)高温气相反应法;5)激光气相反应法;6)等离子体气相反应法;7)溶胶-凝胶(sol-gel)法;8)自蔓延法。其中,碳热还原氮化法是一种适合于工业化生产,很有前途的合成方法。此法所得粉末纯度高、颗粒细、α-Si3N4含量高、反应吸热，不需要分阶段氮化，氮化速度比硅粉直接氮化法快。 二、设计原理和反应原理 1、反应原理 此法的原理是以C还原SiO2,同时用N2或NH3进行氮化，使硅氮结合生成氮化硅，可能反应式有： 3SiO2(s)+3C(s)+2N2(g)→Si3N4(s)+3CO2(g) (1) 3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)→Si3N4(s)+6CO(g) (2)
硅材料生产技术 1、硅元素原子序数14，三种同位素分别是Si28、Si29、Si30，分别占92.23%、4.67%、3.40， 硅的原子量为28.025，价电子排布 3s23p2 。 2、硅晶体是原子晶体，是深灰色而带有金属光泽的晶体，它的熔点为1420℃，沸点为2355℃， 莫氏硬度为6.5.。硅晶体为脆性，密度为2.329g/cm3，比热为0.7J/（g·K）。 3、硅的分类及其应用有哪些？ 答：<1>.按杂质含量：粗硅（95%-99%）和高纯硅（一般要求纯度达到小数点后面6个“9至8个“9”），一般用作半导体和太阳电池； <2>.根据高纯硅掺入杂质不同：P型硅半导体（掺3价原子）和N型硅半导体（掺价 原子）； <3>.高纯硅根据晶型不同:单晶硅、多晶硅和无定型硅；<各自的定义> <4>.用途不同：太阳能级硅，SG，硅含量99.9999%（6个9），用于太阳电池芯片的 生产制造；电子级硅，EG，硅含量99.999999999%（11个9），用于半导体芯片 制造 4、二氧化硅
谢建军材料制备工艺与设备 名词解释（未收录各种成型工艺的定义） 材料工艺：材料的生产工艺就是把天然原料（包括人造原料）经过物理和化学变化而变成工程上有用的原材料的工艺技术。（将任何一种材料从原料到成品的整个过程称为材料工艺过程） 材料工艺过程：任何一种材料从原料→成品的整个过程。 材料设备？ 材料：人类赖以生存的物质基础。人类社会生产力水平的标志。 材料工艺任务：通过改变和控制材料的外部形态和内部结构把材料加工成人类社会所需的各种部件和成品。 材料的加工性能：即材料被加工的能力。 单晶材料液相法：直接从气体凝固或利用气相化学反应制备单晶体的方法 单晶材料固相法：在固态条件下，使异常晶粒不断长大吞并其他小晶粒而得到单晶的方法。 材料工艺性能：是指材料适应工艺而获得规定性能和外形的能力。 工艺性能的表征方法——相关法：将材料的工艺性能与一些简单的物理、化学、力学参量联系起来。 热工：就是指关于热（加热、保温和降温制度）的工程技术。 无机非金属材料：是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。 材料科学：就是研究有关材料的组成、结构与工艺流程对于材料性能与用途的影响。 水泥磨：水泥磨是指在水泥熟料中添加石膏（调节水泥的硬化时间和硬化强度）、混合料（火山灰、粉煤灰等）后进行混合均匀的简单球磨过程。 喷火口：是挡火墙与燃烧室上部窑墙之间的空间。 陶瓷（广义）：用陶瓷生产方法制造的的无机非金属固体材料和产品的通称。 陶瓷（狭义）：以粘土、长石、石英为主要原料，经过粉碎、混炼、成型、煅烧等工艺过程制得的产品。 普通（传统）陶瓷：以粘土及其他天然矿物（长石、石英等）为原料经粉碎、混合、成型、焙烧等工艺过程而制得的制品。