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微量摻鍺直拉硅單晶技術及其應用-國家技術發明獎公示
 
  
項目名稱:微量摻鍺直拉硅單晶技術及其應用
提名者及提名意見:
提名者—浙江省
直拉硅單晶材料是集成電路和光伏產業的基礎材料,對集成電路和光伏產業的發展起著決定性作用。然而,直拉硅單晶的研發存在著兩個重要的挑戰:(1)重摻直拉單晶硅襯底材料中存在嚴重的晶格畸變,容易導致生長的外延層中產生失配位錯,降低集成電路的成品率和可靠性;(2)直拉單晶硅太陽電池在服役過程中會發生嚴重的效率衰減的現象,造成巨大的經濟損失。國際上一直沒有找到好的解決方法。項目組自2001年起,針對上述難題進行了近20年的研究。在國際上首先提出了“有意摻入微量鍺雜質來調控直拉硅單晶中缺陷”的新思路,發明了微量摻鍺直拉硅單晶及系列制備技術。項目進一步發明了基于微量摻鍺直拉硅單晶的微電子器件用外延、吸雜等工藝技術,實現了其在微電子器件上的應用;還發明了微量摻鍺直拉硅單晶的低光衰減、薄片化等太陽電池相關的技術,實現其在光伏產業中的應用,形成完整的產業化技術體系。項目自2007年起在浙江金瑞泓公司等企業實現了大規模產業化應用,形成了具有我國特色、自主知識產權的產品,滿足了國家在微電子和光伏領域對直拉硅單晶材料的需求。該項目發明的微量摻鍺直拉硅單晶技術具有完全自主知識產權,居國際領先水平,創造了顯著的經濟和社會效益,推動了我國硅材料產業的技術進步。提名該項目為國家技術發明 二等獎。

項目簡介:
直拉硅單晶是集成電路和光伏產業的基礎材料。集成電路是信息產業的基石,是國家最重要的高科技產業之一,2017年我國集成電路年產值超過5400億元。而太陽能光伏是國際上快速發展的新能源高新技術之一,我國已經成為國際最大的光伏材料、電池、組件生產和應用的國家,2017年產值超過4300億元;而其中的高效太陽電池也是利用直拉硅單晶制備的,國際市場率為30%以上。因此直拉硅單晶的研究與開發對國民經濟、科技、國防具有極其重要的意義。項目在國際上提出“有意摻入微量鍺雜質來調控直拉硅單晶中缺陷”的原創新思路,發明了微量摻鍺直拉硅單晶及系列技術。其主要創新點如下:(1) 發明了微量摻鍺直拉硅單晶及晶體生長系列技術,在國際上首先實現了直徑100-300 mm摻鍺直拉硅單晶的生長和加工。(2) 發明了微量摻鍺直拉硅單晶的重摻、外延和吸雜等技術,實現其在微電子產業中的應用。(3) 發明了微量摻鍺直拉硅單晶的低光衰減、薄片化等太陽電池技術,實現了光伏產業中的應用。項目獲國家發明專利24項,美國發明專利1項;發表SCI論文48篇,并受邀在材料類國際頂級刊物Material Science and Engineering: R等國際學術期刊撰寫長篇綜述論文6篇;參編英文專著兩部,在國際會議上做邀請報告23次。項目于2007年開始在浙江金瑞泓和西安隆基兩家公司應用,在國際上率先規模生產100-200mm直徑微量摻鍺直拉硅單晶系列產品,200mm硅片產品已經在微電子和光伏產業得到了應用。產品滿足了國家半導體產業的重大需求,推動了我國硅材料產業的技術進步。項目獲浙江省技術發明一等獎(2015年)。

客觀評價:
(1)教育部在杭州召開了項目鑒定會。以中科院院士鄭有炓教授為組長的鑒定委員會意見為:“該研究成果創新性強,內容豐富,意義重大,居于國際領先水平。”(2)產品經“信息產業專用材料質量監督檢驗中心”檢測,表明:微量摻鍺直拉硅單晶的主要性能指標(氧、碳濃度以及少子壽命等),達到和超過國際普通直拉硅單晶的指標,完全滿足微電子和光伏器件的制造要求。(3)項目獲2015年浙江省技術發明一等獎,項目核心專利之一“一種微量摻鍺直拉硅單晶”獲得國家知識產權局2012年“第十三屆中國專利優秀獎”。(4)項目發表微量摻鍺相關SCI論文48篇,受邀在材料類國際頂級刊物Material Science and Engineering: R等國際期刊撰寫長篇綜述論文6篇;參編兩部國外英文專著(各一章);在國際會議上做邀請報告23次。(5)國際GDEST會議主席,德國IHP微電子研究所的Martin Kittler教授,在專業國際會議邀請報告中,直接引用了我們摻鍺直拉硅單晶制備的高質量內吸雜區的照片,并指出:鍺摻雜是楊德仁教授開拓(pionner)的工作。(6)歐洲材料研究會(E-MRS)原副主席、SEMI歐洲ISS委員Hans Richter教授在第七屆硅材料先進科學與技術會議的邀請報告中指出:(現代集成電路用硅片技術)包含吸雜、缺陷和雜質工程、溝道工程等。將我們提出的“雜質工程(impurity engineering)”列為現代集成電路用硅片主要技術之一。(7)國際著名的新能源技術網站Renewable Energy Global Innovations在“Key Scientific Article”(關鍵科學論文)一欄,以“摻鍺直拉硅單晶的光伏應用”為題,對項目發表專題評論,指出:摻鍺光伏硅的優點對高效太陽電池非常重要,在該材料實際工業應用之后,將打開光伏新的一頁。(8)在國際著名學者G. Eranna博士的專著“Crystal Growth and evaluation of silicon for VLSI and ULSI”中,硅單晶中鍺的性質被列為專門章節(4.3.6.7和8.3.4),其中大量、大篇幅地引用項目的研究成果,引用項目論文達14篇。同時指出:雜質工程是直拉硅單晶的一個主要問題,特別是對超大規模集成電路和極大規模集成電路而言。
應用情況:
項目自2001年開始研發,2001年提出了“微量摻鍺調控直拉硅單晶缺陷”的新思想和發明專利,其后連續得到了國家自然科學基金面上項目、重點項目和國際合作項目的支持,解決了其基礎科學問題;同時,項目與浙江金瑞泓科技股份有限公司(聯合申報單位)進行產學研合作,開發了相關產業技術,并實現了產業化。經過近20年的研究,形成了微量摻鍺直拉硅單晶生長、加工和應用的成套技術。為保護知識產權和提高企業的核心競爭力,該技術和產品在微電子和光伏產業分別獨家大規模應用。在微電子領域,項目技術獨家應用在我國微電子用直拉硅單晶頭企業:浙江金瑞泓科技股份有限公司;在太陽能光伏領域,項目技術獨家應用在太陽能光伏用直拉硅單晶企業西安隆基硅技術有限公司2010年開始,項目組結合浙江金瑞泓科技股份有限公司承擔的國家02科技重大專項“200mm硅片研發和產業化及300mm硅片產業化技術研究(2010ZX02301)”,項目負責人承擔了課題三“200mm硅片缺陷工程”,其主要任務之一就是將微量摻鍺硅單晶技術在200mm硅單晶和外延上實現大規模的產業化,滿足我國微電子產業的重大需求。經過5年工作,該重大專項已經順利完成,并于2017年5月通過驗收。項目實施期間,累計銷售200 mm直拉硅單晶拋光片和外延片84.45萬片,其中約 20%為微量摻鍺直拉硅單晶產品。從2007年開始,浙江金瑞泓公司也逐步成長為我國微電子用硅單晶材料的龍頭企業之一,2015、2016、2017年連續三年獲得中國電子材料協會評選的“中國半導體材料十強”企業。目前,微量摻鍺硅單晶產品應用在包括華虹宏力、上海先進、中航(重慶)微電子有限公司等國內主要集成電路公司,產品滿足了國家微電子產業的重大需求。


主要知識產權和標準規范等目錄(不超過10件):
知識產權(標準)類別 知識產權(標準)具體名稱 國家
(地區) 授權號(標準編號) 授權(標準發布)日期 證書編號
(標準批準發布部門) 權利人(標準起草單位) 發明人(標準起草人) 發明專利(標準)有效狀態
中國發明專利 一種微量摻鍺直拉硅單晶
中國 ZL01139098.0 2005年2月23日 第196907號 浙江大學 楊德仁 馬向陽 田達晰 沈益軍 李立本 闕端麟 
有效
中國發明專利 一種磁場下生長低缺陷密度直拉硅單晶的方法
中國 ZL200310108003.9 2005年12月28日 第242380號 浙江大學 楊德仁 馬向陽
李立本 闕端麟
有效
中國發明專利 一種抑制光衰減的摻鍺晶體硅太陽電池及其制備
中國 ZL201010509992.2 2012年07月25日 第1012456號 浙江大學 楊德仁 王  朋 余學功 闕端麟
有效
美國發明專利 Process of Internal Gettering for Czochralski Silicon Wafer 美國 US8466043B2 2013年06月18日 00868466043B2 浙江大學 馬向陽
徐  澤
王  彪
楊德仁 有效
中國發明專利 直拉硅片的內吸雜工藝 中國 ZL201110070161.4 2012年05月30日 第959573號 浙江大學 馬向陽 徐  澤 王  彪 楊德仁 
有效
中國發明專利 重摻硼直拉硅片的基于快速熱處理的內吸雜工藝 中國 ZL200610051834.0 2007年9月12日 第34572820號 浙江大學 楊德仁 馬向陽 符黎明 闕端麟
有效
中國發明專利 一種硅片的硼鋁共吸雜方法 中國 ZL201010283048.X 2012年05月09日 第942891號 浙江大學 楊德仁 顧  鑫 樊瑞新 余學功
有效
中國發明專利 一種低彎曲薄片單晶硅太陽電池燒結工藝 中國 ZL200810969641.0 2010年02月17日 第600447號 浙江大學 楊德仁  孫振華  朱  鑫  汪  雷 有效
中國發明專利 硅片的硼鋁共吸雜方法 中國 ZL201010283047.5 2012年05月09日 第945179號 浙江大學 楊德仁 樊瑞新 顧  鑫 余學功 
有效
中國發明專利 一種硅片外吸雜方法 中國 ZL201010584771.1 2012年05月30日 第963122號 浙江大學 余學功 肖承全 楊德仁 有效

主要完成人情況:
楊德仁,第一完成人,浙江大學,教授。
項目負責人,總體構思項目的技術路線,提出在直拉硅中微量摻鍺調控晶體微缺陷的新思路,生長出微量摻鍺直拉硅單晶;開發了重摻、外延、吸雜等相關技術,實現了微電子產業的應用;開發了低光衰減、薄片等相關技術,實現了光伏產業的應用。是發明點1-3的主要貢獻人,是所有發明專利的主要發明人之一,是三個核心發明專利的第一發明人。

田達晰,第二完成人,浙江金瑞泓科技股份有限公司,副總經理。
項目發明點1和發明點2的完成人之一,開發了摻鍺直拉單晶硅的生長和外延技術,實施大直徑微量摻鍺直拉單晶硅生長及其外延片產業應用,是項目核心發明專利一的主要發明人之一

余學功,第三完成人,浙江大學,教授。
項目發明點1和3的主要完成人之一,闡明了微量摻鍺抑制直拉硅單晶中空洞型缺陷的機理,是微量摻鍺直拉硅單晶太陽電池的薄片、低光衰減相關技術的設計者和發明者之一,是項目核心發明專利三的主要發明人

馬向陽,第四完成人,浙江大學,教授。
項目發明點1和發明點2的完成人之一,發明了摻鍺直拉單晶硅的吸雜技術,闡明了摻鍺促進氧沉淀、提高硅片內吸雜能力的機理,是項目核心發明專利一和二的主要發明人之一

完成人合作關系說明:
項目由浙江大學硅材料國家重點實驗室(材料學院)和浙江金瑞泓科技有限股份公司的研究人員共同合作完成。浙江金瑞泓科技有限股份公司(原名:寧波立立電子股份有限公司)是由浙江大學硅材料國家重點實驗室的已故闕端麟院士和李立本教授等人創辦的企業,是硅材料國家重點實驗室的產學研基地,已經成為我國微電子硅材料的龍頭企業之一。多年來,雙方一直緊密合作,共同承擔了國家重大科技專項、國家 863 項目等一系列國家和省部級項目。
項目完成人楊德仁、田達晰、余學功、馬向陽在項目起始至完成期間(2001.01.01-2014.4.12)一直密切合作,共同完成項目,具體說明如下:
第一完成人楊德仁是中國科學院院士、浙江大學硅材料國家重點實驗室教授,也是浙江金瑞泓科技股份有限公司創辦的參與人之一,是該公司的董事、技術顧問;他與第二完成人田達晰(浙江金瑞泓公司副總經理、技術負責人)系師生關系,是田達晰的碩士生和博士生指導教師。田達晰在項目執行期間獲得博士學位(在職博士生,2005-2009 年 )。在項目中,兩者合作研發技術以及解決產業化中的問題,其合作方式包括:共同知識產權、共同獲獎、共同項目立項、論文合著。
第三完成人余學功是浙江大學硅材料國家重點實驗室教授,曾是第一完成人楊德仁的博士生,現和楊德仁是同一課題組。楊德仁與余學功合作方式有:論文合著、共同知識產權、共同獲獎。余學功與田達晰的合作方式有:共同獲獎。
第四完成人馬向陽是浙江大學硅材料國家重點實驗室教授,和楊德仁是同一課題組。楊德仁與馬向陽的合作方式有:論文合著、共同項目立項、共同知識產權、共同獲獎。馬向陽與田達晰的合作方式有:論文合著、共同項目立項、共同知識產權、共同獲獎。馬向陽與余學功的合作方式有:論文合著、共同獲獎。
 

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