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微量掺锗直拉硅单晶技术及其应用-国家技术发明奖公示
 
  
项目名称:微量掺锗直拉硅单晶技术及其应用
提名者及提名意见:
提名者—浙江省
直拉硅单晶材料是集成电路和光伏产业的基础材料,对集成电路和光伏产业的发展起着决定性作用。然而,直拉硅单晶的研发存在着两个重要的挑战:(1)重掺直拉单晶硅衬底材料中存在严重的晶格畸变,容易导致生长的外延层中产生失配位错,降低集成电路的成品率和可靠性;(2)直拉单晶硅太阳电池在服役过程中会发生严重的效率衰减的现象,造成巨大的经济损失。国际上一直没有找到好的解决方法。项目组自2001年起,针对上述难题进行了近20年的研究。在国际上首先提出了“有意掺入微量锗杂质来调控直拉硅单晶中缺陷”的新思路,发明了微量掺锗直拉硅单晶及系列制备技术。项目进一步发明了基于微量掺锗直拉硅单晶的微电子器件用外延、吸杂等工艺技术,实现了其在微电子器件上的应用;还发明了微量掺锗直拉硅单晶的低光衰减、薄片化等太阳电池相关的技术,实现其在光伏产业中的应用,形成完整的产业化技术体系。项目自2007年起在浙江金瑞泓公司等企业实现了大规模产业化应用,形成了具有我国特色、自主知识产权的产品,满足了国家在微电子和光伏领域对直拉硅单晶材料的需求。该项目发明的微量掺锗直拉硅单晶技术具有完全自主知识产权,居国际领先水平,创造了显著的经济和社会效益,推动了我国硅材料产业的技术进步。提名该项目为国家技术发明 二等奖。

项目简介:
直拉硅单晶是集成电路和光伏产业的基础材料。集成电路是信息产业的基石,是国家最重要的高科技产业之一,2017年我国集成电路年产值超过5400亿元。而太阳能光伏是国际上快速发展的新能源高新技术之一,我国已经成为国际最大的光伏材料、电池、组件生产和应用的国家,2017年产值超过4300亿元;而其中的高效太阳电池也是利用直拉硅单晶制备的,国际市场率为30%以上。因此直拉硅单晶的研究与开发对国民经济、科技、国防具有极其重要的意义。项目在国际上提出“有意掺入微量锗杂质来调控直拉硅单晶中缺陷”的原创新思路,发明了微量掺锗直拉硅单晶及系列技术。其主要创新点如下:(1) 发明了微量掺锗直拉硅单晶及晶体生长系列技术,在国际上首先实现了直径100-300 mm掺锗直拉硅单晶的生长和加工。(2) 发明了微量掺锗直拉硅单晶的重掺、外延和吸杂等技术,实现其在微电子产业中的应用。(3) 发明了微量掺锗直拉硅单晶的低光衰减、薄片化等太阳电池技术,实现了光伏产业中的应用。项目获国家发明专利24项,美国发明专利1项;发表SCI论文48篇,并受邀在材料类国际顶级刊物Material Science and Engineering: R等国际学术期刊撰写长篇综述论文6篇;参编英文专著两部,在国际会议上做邀请报告23次。项目于2007年开始在浙江金瑞泓和西安隆基两家公司应用,在国际上率先规模生产100-200mm直径微量掺锗直拉硅单晶系列产品,200mm硅片产品已经在微电子和光伏产业得到了应用。产品满足了国家半导体产业的重大需求,推动了我国硅材料产业的技术进步。项目获浙江省技术发明一等奖(2015年)。

客观评价:
(1)教育部在杭州召开了项目鉴定会。以中科院院士郑有炓教授为组长的鉴定委员会意见为:“该研究成果创新性强,内容丰富,意义重大,居于国际领先水平。”(2)产品经“信息产业专用材料质量监督检验中心”检测,表明:微量掺锗直拉硅单晶的主要性能指标(氧、碳浓度以及少子寿命等),达到和超过国际普通直拉硅单晶的指标,完全满足微电子和光伏器件的制造要求。(3)项目获2015年浙江省技术发明一等奖,项目核心专利之一“一种微量掺锗直拉硅单晶”获得国家知识产权局2012年“第十三届中国专利优秀奖”。(4)项目发表微量掺锗相关SCI论文48篇,受邀在材料类国际顶级刊物Material Science and Engineering: R等国际期刊撰写长篇综述论文6篇;参编两部国外英文专著(各一章);在国际会议上做邀请报告23次。(5)国际GDEST会议主席,德国IHP微电子研究所的Martin Kittler教授,在专业国际会议邀请报告中,直接引用了我们掺锗直拉硅单晶制备的高质量内吸杂区的照片,并指出:锗掺杂是杨德仁教授开拓(pionner)的工作。(6)欧洲材料研究会(E-MRS)原副主席、SEMI欧洲ISS委员Hans Richter教授在第七届硅材料先进科学与技术会议的邀请报告中指出:(现代集成电路用硅片技术)包含吸杂、缺陷和杂质工程、沟道工程等。将我们提出的“杂质工程(impurity engineering)”列为现代集成电路用硅片主要技术之一。(7)国际著名的新能源技术网站Renewable Energy Global Innovations在“Key Scientific Article”(关键科学论文)一栏,以“掺锗直拉硅单晶的光伏应用”为题,对项目发表专题评论,指出:掺锗光伏硅的优点对高效太阳电池非常重要,在该材料实际工业应用之后,将打开光伏新的一页。(8)在国际著名学者G. Eranna博士的专著“Crystal Growth and evaluation of silicon for VLSI and ULSI”中,硅单晶中锗的性质被列为专门章节(4.3.6.7和8.3.4),其中大量、大篇幅地引用项目的研究成果,引用项目论文达14篇。同时指出:杂质工程是直拉硅单晶的一个主要问题,特别是对超大规模集成电路和极大规模集成电路而言。
应用情况:
项目自2001年开始研发,2001年提出了“微量掺锗调控直拉硅单晶缺陷”的新思想和发明专利,其后连续得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目和国际合作项目的支持,解决了其基础科学问题;同时,项目与浙江金瑞泓科技股份有限公司(联合申报单位)进行产学研合作,开发了相关产业技术,并实现了产业化。经过近20年的研究,形成了微量掺锗直拉硅单晶生长、加工和应用的成套技术。为保护知识产权和提高企业的核心竞争力,该技术和产品在微电子和光伏产业分别独家大规模应用。在微电子领域,项目技术独家应用在我国微电子用直拉硅单晶头企业:浙江金瑞泓科技股份有限公司;在太阳能光伏领域,项目技术独家应用在太阳能光伏用直拉硅单晶企业西安隆基硅技术有限公司2010年开始,项目组结合浙江金瑞泓科技股份有限公司承担的国家02科技重大专项“200mm硅片研发和产业化及300mm硅片产业化技术研究(2010ZX02301)”,项目负责人承担了课题三“200mm硅片缺陷工程”,其主要任务之一就是将微量掺锗硅单晶技术在200mm硅单晶和外延上实现大规模的产业化,满足我国微电子产业的重大需求。经过5年工作,该重大专项已经顺利完成,并于2017年5月通过验收。项目实施期间,累计销售200 mm直拉硅单晶抛光片和外延片84.45万片,其中约 20%为微量掺锗直拉硅单晶产品。从2007年开始,浙江金瑞泓公司也逐步成长为我国微电子用硅单晶材料的龙头企业之一,2015、2016、2017年连续三年获得中国电子材料协会评选的“中国半导体材料十强”企业。目前,微量掺锗硅单晶产品应用在包括华虹宏力、上海先进、中航(重庆)微电子有限公司等国内主要集成电路公司,产品满足了国家微电子产业的重大需求。


主要知识产权和标准规范等目录(不超过10件):
知识产权(标准)类别 知识产权(标准)具体名称 国家
(地区) 授权号(标准编号) 授权(标准发布)日期 证书编号
(标准批准发布部门) 权利人(标准起草单位) 发明人(标准起草人) 发明专利(标准)有效状态
中国发明专利 一种微量掺锗直拉硅单晶
中国 ZL01139098.0 2005年2月23日 第196907号 浙江大学 杨德仁 马向阳 田达晰 沈益军 李立本 阙端麟 
有效
中国发明专利 一种磁场下生长低缺陷密度直拉硅单晶的方法
中国 ZL200310108003.9 2005年12月28日 第242380号 浙江大学 杨德仁 马向阳
李立本 阙端麟
有效
中国发明专利 一种抑制光衰减的掺锗晶体硅太阳电池及其制备
中国 ZL201010509992.2 2012年07月25日 第1012456号 浙江大学 杨德仁 王  朋 余学功 阙端麟
有效
美国发明专利 Process of Internal Gettering for Czochralski Silicon Wafer 美国 US8466043B2 2013年06月18日 00868466043B2 浙江大学 马向阳
徐  泽
王  彪
杨德仁 有效
中国发明专利 直拉硅片的内吸杂工艺 中国 ZL201110070161.4 2012年05月30日 第959573号 浙江大学 马向阳 徐  泽 王  彪 杨德仁 
有效
中国发明专利 重掺硼直拉硅片的基于快速热处理的内吸杂工艺 中国 ZL200610051834.0 2007年9月12日 第34572820号 浙江大学 杨德仁 马向阳 符黎明 阙端麟
有效
中国发明专利 一种硅片的硼铝共吸杂方法 中国 ZL201010283048.X 2012年05月09日 第942891号 浙江大学 杨德仁 顾  鑫 樊瑞新 余学功
有效
中国发明专利 一种低弯曲薄片单晶硅太阳电池烧结工艺 中国 ZL200810969641.0 2010年02月17日 第600447号 浙江大学 杨德仁  孙振华  朱  鑫  汪  雷 有效
中国发明专利 硅片的硼铝共吸杂方法 中国 ZL201010283047.5 2012年05月09日 第945179号 浙江大学 杨德仁 樊瑞新 顾  鑫 余学功 
有效
中国发明专利 一种硅片外吸杂方法 中国 ZL201010584771.1 2012年05月30日 第963122号 浙江大学 余学功 肖承全 杨德仁 有效

主要完成人情况:
杨德仁,第一完成人,浙江大学,教授。
项目负责人,总体构思项目的技术路线,提出在直拉硅中微量掺锗调控晶体微缺陷的新思路,生长出微量掺锗直拉硅单晶;开发了重掺、外延、吸杂等相关技术,实现了微电子产业的应用;开发了低光衰减、薄片等相关技术,实现了光伏产业的应用。是发明点1-3的主要贡献人,是所有发明专利的主要发明人之一,是三个核心发明专利的第一发明人。

田达晰,第二完成人,浙江金瑞泓科技股份有限公司,副总经理。
项目发明点1和发明点2的完成人之一,开发了掺锗直拉单晶硅的生长和外延技术,实施大直径微量掺锗直拉单晶硅生长及其外延片产业应用,是项目核心发明专利一的主要发明人之一

余学功,第三完成人,浙江大学,教授。
项目发明点1和3的主要完成人之一,阐明了微量掺锗抑制直拉硅单晶中空洞型缺陷的机理,是微量掺锗直拉硅单晶太阳电池的薄片、低光衰减相关技术的设计者和发明者之一,是项目核心发明专利三的主要发明人

马向阳,第四完成人,浙江大学,教授。
项目发明点1和发明点2的完成人之一,发明了掺锗直拉单晶硅的吸杂技术,阐明了掺锗促进氧沉淀、提高硅片内吸杂能力的机理,是项目核心发明专利一和二的主要发明人之一

完成人合作关系说明:
项目由浙江大学硅材料国家重点实验室(材料学院)和浙江金瑞泓科技有限股份公司的研究人员共同合作完成。浙江金瑞泓科技有限股份公司(原名:宁波立立电子股份有限公司)是由浙江大学硅材料国家重点实验室的已故阙端麟院士和李立本教授等人创办的企业,是硅材料国家重点实验室的产学研基地,已经成为我国微电子硅材料的龙头企业之一。多年来,双方一直紧密合作,共同承担了国家重大科技专项、国家 863 项目等一系列国家和省部级项目。
项目完成人杨德仁、田达晰、余学功、马向阳在项目起始至完成期间(2001.01.01-2014.4.12)一直密切合作,共同完成项目,具体说明如下:
第一完成人杨德仁是中国科学院院士、浙江大学硅材料国家重点实验室教授,也是浙江金瑞泓科技股份有限公司创办的参与人之一,是该公司的董事、技术顾问;他与第二完成人田达晰(浙江金瑞泓公司副总经理、技术负责人)系师生关系,是田达晰的硕士生和博士生指导教师。田达晰在项目执行期间获得博士学位(在职博士生,2005-2009 年 )。在项目中,两者合作研发技术以及解决产业化中的问题,其合作方式包括:共同知识产权、共同获奖、共同项目立项、论文合著。
第三完成人余学功是浙江大学硅材料国家重点实验室教授,曾是第一完成人杨德仁的博士生,现和杨德仁是同一课题组。杨德仁与余学功合作方式有:论文合著、共同知识产权、共同获奖。余学功与田达晰的合作方式有:共同获奖。
第四完成人马向阳是浙江大学硅材料国家重点实验室教授,和杨德仁是同一课题组。杨德仁与马向阳的合作方式有:论文合著、共同项目立项、共同知识产权、共同获奖。马向阳与田达晰的合作方式有:论文合著、共同项目立项、共同知识产权、共同获奖。马向阳与余学功的合作方式有:论文合著、共同获奖。
 

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