一、半導體矽材料的現狀
在當今全球超過2000億美元的半導體市場中，95％以上的半導體器件和99％以上的積體電路(lsi)都是用高純優質的矽拋光片和外延片製作的。在未來30-50年內，它仍將是lsi工業最基本和最重要的功能材料。半導體矽材料以豐富的資源、 優質的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等綜合優勢而成為了當代電子工業中應用最多的半導體材料，它還是目前可獲得的純度最高的材料之一，其實驗室純度可達12 個「9」的本徵級，工業化大生產也能達到7～11個「9」的高純度。
由於它的優良效能，使其在射線探測器、整流器、積體電路(ic)、矽光電池、感測器等各類電子元件中占有極為重要的地位。同時， 由於它具有識別、儲存、放大、開關和處理電訊號及能量轉換的功能， 而使「半導體矽」實際上成了「微電子」和「現代化電子」的代名詞。
半導體矽材料分為多晶矽、單晶矽、矽外延片以及非晶矽、澆注多晶矽、澱積和濺射非晶矽等。自從60年代被廣泛應用於各類電子元器件以來，其用量平均大約以每年12-16％的速度增長。目前全世界每年消耗約18,000-25,000噸半導體級多晶矽，消耗6000-7000噸單晶矽。
2023年，全世界矽片產量45億平方英吋，2000 年其產量更高。目前全世界矽片銷售金額約60-80億美元。
現行多晶矽生產工藝主要有改良西門子法和矽烷熱分解法。主要產品有棒狀和粒狀兩種，主要用途是用作製備單晶矽以及太陽能電池等。生長單晶矽的工藝可分為區熔(fz)和直拉(cz)兩種生長工藝。
區熔單晶矽(fz-si) 主要用於製作電力電子器件(sr、scr、gto等)、射線探測器、高壓大功率電晶體等；直拉單晶矽(cz- si) 主要用於製作lsi、電晶體、感測器及矽光電池等。矽外延片(epl)是在單晶襯底片上，沿單晶的結晶方向生長一層導電型別、電阻率、厚度和晶格結構都符合特定器件要求的新單晶層。矽外延片主要用於製作cmos電路，各類電晶體以及絕緣柵，雙極電晶體(igbt)等。
非晶矽、澆注多晶矽、澱積和濺射非晶矽主要用作各種矽光電池等。
二、現代微電子工業對半導體矽材料的新要求
隨著微電子工業飛速發展，除了本身對加工技術和加工裝置的要求之外，同時對矽材料也提出了更新更高的要求。
1、對矽片表面附著粒子及微量雜質的要求
隨著積體電路的整合度不斷提高，其加工線寬也逐步縮小，因此，對矽片的加工、清洗、包裝、儲運等工作提出了更高的新要求。對於兆位級器件，0.10μm 的微粒都可能造成器件失效。
亞微公尺級器件要求0.1μm的微粒降到 10個／片以下，同時要求各種金屬雜質如fe、cu、cr、ni、a1、na等， 都要求控制在目前分析技術的檢測極限以下(約為1×1010原子／cm2)。
2、對矽片表面平整度、應力和機械強度的要求
矽片表面的區域性平整度(sfqd)一般要求為設計線寬的2／3，以64m 儲存器的加工線寬0.35μm為例，則要求矽片區域性平整度在22mm2範圍內為0.23μm，256m 電路的sfqd為0.
17μm。同時，器件工藝還要求原始矽片的應力不能過分集中， 機械強度要高，使器件的穩定性和可靠性得到保證，但現在這方面矽材料尚未取得突破性進展，仍是以後研究的乙個課題。
3、對矽片表面和內部結晶特性及氧含量的要求
對vlsi和ulsi來說，距矽片表面10μm左右厚度區域為器件活性區， 要求該區域性質均勻且無缺陷。64m和256m電路要求矽片的氧化誘生層錯(osf)≤20／cm2 。為達到此要求， 目前比較成熟的工藝是採用矽片吸除技術，分為內吸除和背面損傷吸除(也叫外吸除)。
現在器件廠家都根據器件工藝的需要，對矽片提出了某種含氧量要求。矽材料生產廠應根據使用者要求進行控氧生長矽單晶。
4、對矽片大直徑化的要求
出於提高生產率、降低成本的目的，器件廠家隨著生產規模的擴大，也逐步要求增大矽片直徑，使同等規模晶元的收得率明顯提高，給器件廠家來極為顯著的經濟效益。目前國際市場上矽片的流直徑是200mm，1999 年全球矽片用量的分布情況是： 200mm佔47％； 150mm佔32％； 125mm佔15％；100mm佔6％。
2023年直徑200mm矽片的用量進一提高，同時也提出了向300mm和400mm逐步發展要求。2023年和2023年開始逐步加大300mm矽片使用量。到2023年，直徑將達到450mm。
微電子業對矽片的要求詳見表1所示。
三、近年來國際矽材料的發展狀況
1、多晶矽概況
近年，多晶矽材料廠家的生產規模大多在千級經濟規模以上，並實行綜合利用，以提高生產益，同時減少了對環境的汙染。多採用改良西門法生產半導體級多晶矽，這樣，可使單位電耗由去每公斤300kw／h降到每公斤80kw／h。多晶矽， 量由改良前每爐100-200公斤，提高到5-6噸／爐次。
其顯著特點是：能耗低，產量高，質量穩定。多矽主要以棒狀材料為主，以粒狀多晶矽為輔，隨著今後單晶矽生長的石英坩堝增大到極限時，可能加大採用連續供料拉晶法，從而會加大對粒狀多晶矽的需求量與生產量。
(1)世界各大型多晶矽廠家產能狀況及多晶矽市場狀況
前幾年，隨著資訊產業的迅猛發展，對矽材料的需要持續擴大，同時，隨著矽片直徑增大，大直徑單晶矽消耗的矽材料增加，使多晶矽市場看好，繼而出現了1994 ￣2023年間多晶矽供不應求的現象。但是，在2023年全球半導體發展到頂峰之後，半導體及矽材料市場急劇下降，結果導致生產過剩，在多晶矽市場上出現了過剩部分轉用於太陽能電池的傾向。另一方面，世界多晶矽產能也從2023年的22,400噸增加到2023年的23,900噸。
全世界2023年多晶矽的實際產量為17,900噸，為產能的75 ％左右，其中半導體用多晶矽下降22％，而太陽能電池用多晶矽明顯上公升，達到總產量的25％，即達到約4475噸，估計2023年用於太陽能電池的多晶矽將增到6000噸。 wsts等機構對半導體市場的**認為：雖從2023年開始，半導體市場將穩定地恢復, 但即使到2023年，需求量也不能超過2023年的峰值，因此，估計未來5 年左右多晶矽的產能仍將過剩。
不過，有人認為，太陽能用多晶矽每年將增加1000噸，屆時多晶矽過剩的狀況可能會通過太陽能電池的消耗而逐步消失，而趨向供需逐步平衡。 2023年供需雙方可能會就40美元／kg多晶矽的**展開討價還價。太陽能電池用多晶矽現在約為28美元／kg， 由於多晶矽廠家增加太陽能電池用多晶矽的**，其**自然會下滑，因此，估計到2023年可能降到25美元／kg左右。
世界多晶矽主要生產廠家的產能，本文參考了文獻以及美國先進矽公司在網上公布的資訊，詳見表 2。
未來多晶矽的發展方向是：進一步降低各種雜質含量、提高多晶矽純度並保持其均勻性、穩定提高多晶矽整體質量和保持穩定地供給量，並保持供需基本平衡。另外，在單晶大直徑化的發展過程中，坩堝增大直徑是有一定限度的。
對此，未來粒狀多晶矽將可能逐步擴大供需量。
(2)我國多晶矽的發展狀況
目前，我國多晶矽生產廠萎縮到僅剩兩家， 即峨眉半導體材料廠和洛陽矽單晶廠。全國的多晶矽產能由幾年前的200噸／年萎縮到約100噸／年，這兩三年的實際年產量僅60￣80噸左右，約佔全球產量的0.4％左右，相當於國內總消耗量約400 噸的1／5。
國內多晶矽用量的80％以上需要從國外進口。我國多晶矽產量嚴重萎縮的主要原因是： 國內多晶矽生產工藝陳舊，使生產多晶矽的電耗和物耗都高，多晶矽的電耗約佔總成本的70％左右，過高的電價以及單位電耗和物耗普遍都高於國際水平的現實，使得我國的多晶矽產品失去了與國際市場競爭的能力。
表3 列出了 2023年以來國內外多晶矽產量的對照表。表4列出了國內外多晶矽指標對照表。表5 列出了我國2023年以來廠家和產能的變化狀況。
我國的多晶矽生產廠之所以能餘下兩家繼續生產，有如下兩種原因，一是近年來生產廠逐步採用了改良西門子法。二是生產多晶矽的廠同時又生產單晶矽，內部消化了部分成本因素。才使得這兩家廠能維持下來。
(3)我國多晶矽工藝技術的新進展
可喜的是我國第一條具有自主智財權的年產100 噸多晶矽國家重點工業性試驗示範線，於2023年底在四川峨眉半導體材料廠建成投產並且通過了國家有關部門的鑑定驗收，是國內第一條生產能力達到年產100噸的閉路迴圈、節能降耗、 無汙染的多晶矽工業試驗示範線，為我國建設年產1000噸的大型多晶矽生產廠提供了技術保證和設計依據。多年來該廠與北京有色冶金設計總院合作， 依靠自身的技術力量，先後突破了多晶矽還原爐導熱油迴圈冷卻、多對棒大型節能還原爐、四氯化矽氫化技術和還原尾氣的乾法**四項技術，使多晶矽生產的物耗和能耗明顯下降，生產成本可降低30％，而且從根本上解決了環境汙染問題。它標誌著我國多晶矽生產技術已接近達到國際先進水平。
目前，正在配套和完善該生產線。另外，在四川的樂山地區的星光公司正在準備興建一座年產1000噸的多晶矽廠，目前正在展開前期工作並已破土動工。
(4)我國多晶矽嚴重短缺
隨著改革開放形勢的發展，我國消耗類電子產品迅猛發展，使國內積體電路市場需求長盛不衰，這就需要大量單晶矽來生產整合塊，為此，國內單晶矽的生產和銷售都大幅度增長。同時，對多晶矽的需求量也大幅度增加，由於國內多晶矽生產嚴重萎縮，使供需矛盾突出，每年需花費大量外匯到國外進口多晶矽。我國從1995 年以來的多晶矽、單晶矽的供需狀況詳見表6。
半導體矽材料複習題
一填空題 1.根據單晶矽的使用目的不同，單晶矽的製備工藝也不同，主要的製備工藝有兩種，分別是 區域熔煉法和切克勞斯基法 3.在熱平衡狀態半導體中,載流子的產生和復合的過程保持動態平衡，從而使載流子濃度保持定值，則處於此種狀態下的載流子為 平衡載流子 處於非平衡狀態的半導體，其載流子濃度也不再是n0和...
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