硅材料技術(shù)-1st

1、 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅的基本性質(zhì)v硅 屬于元素周期表第三周期IV4族，原子序數(shù)14，原子量28.085。有無定形硅和晶體硅兩種同素異形體。硅原子的電子排布為1s22s22p63s23p2 ,原子價(jià)主要為4價(jià)，其次為2價(jià)，因而硅的化合物有二價(jià)化合物和四價(jià)化合物兩種，四價(jià)化合物比較穩(wěn)定。地球上硅的豐度約為26%。硅在自然界的同位素及其所占的比例分別為：28Si (92.23%); 29Si(4.67%); 30Si(3.10%) 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅的基本性質(zhì)硅的基本性質(zhì)v晶體硅為鋼灰色，密度晶體硅為鋼灰色，密度2.4 gcm3，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)1420，沸點(diǎn)，沸點(diǎn)2355，晶體硅屬于原子晶體，硬，晶體

2、硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。v硅晶體結(jié)構(gòu)：晶胞為面心立方晶胞。原子體積硅晶體結(jié)構(gòu)：晶胞為面心立方晶胞。原子體積:(立立方厘米方厘米/摩爾摩爾)12.1。晶體硅為灰黑色，無定形硅為。晶體硅為灰黑色，無定形硅為黑色，密度黑色，密度2.32-2.34克立方厘米，熔點(diǎn)克立方厘米，熔點(diǎn)1410，沸點(diǎn)，沸點(diǎn)2355，晶體硅屬于原子晶體，硬，晶體硅屬于原子晶體，硬而有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。而有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。v硅硅gu（臺灣、香港稱矽（臺灣、香港稱矽x）是一種化學(xué)元素，它的）是一種化學(xué)元素，它的化學(xué)符號是化學(xué)符號是Si，舊稱矽。，舊稱矽。 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅

3、屬于共價(jià)四面體硅屬于共價(jià)四面體一、硅的晶胞一、硅的晶胞 處在立方體頂角和面心的原子構(gòu)成一套面心立方格子，處在體對角線上的原子也構(gòu)成一套面心立方格子。因此可以認(rèn)為硅晶體是由兩套面心立方格子沿體對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成的。這種晶胞稱為金剛石型結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)的立方晶胞，如下圖所示。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金剛石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金剛石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v （1 1）共價(jià)四面體：）共價(jià)四面體：一個(gè)原子在四面體的中心，一個(gè)原子在四面體的中心，另外另外4 4個(gè)同它共價(jià)的原子在個(gè)同它共價(jià)的原子在正四面體正四面體的的4 4個(gè)頂角上，個(gè)頂角上，這種四面體也稱共價(jià)四面體。這種四面體也稱共價(jià)四面體。v （2 2）晶體內(nèi)部的空隙）

4、晶體內(nèi)部的空隙金剛石結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)部存在著相當(dāng)大的金剛石結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)部存在著相當(dāng)大的“空空隙隙”。硅晶體內(nèi)大部分是。硅晶體內(nèi)大部分是“空空”的一些間隙雜質(zhì)能很容的一些間隙雜質(zhì)能很容易地在晶體內(nèi)運(yùn)動并存在于體內(nèi)，同時(shí)對替位雜質(zhì)的擴(kuò)易地在晶體內(nèi)運(yùn)動并存在于體內(nèi)，同時(shí)對替位雜質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)動提供了足夠的條件。散運(yùn)動提供了足夠的條件。 材料科學(xué)與工程學(xué)院二、硅材料工業(yè)的發(fā)展二、硅材料工業(yè)的發(fā)展v硅在自然界中通常以化合物形態(tài)存在，直到20世紀(jì)，人們才發(fā)現(xiàn)硅具有半導(dǎo)體性質(zhì)。 v硅工業(yè)的發(fā)展歷程大體可以歸納如下：1. 1917年切克勞斯基（Czochraski）發(fā)明了拉晶方法，。2. 1950年被

5、蒂爾（Teal）和里特爾（Little）兩人應(yīng)用于拉制鍺單晶及硅單晶，這就是目前應(yīng)用廣泛的直拉法，即Cz法。 3. 1952年普凡（Pfann）發(fā)明了區(qū)熔法（FloatZoneTechnique），即Fz法。 材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)、硅的基本物理和化學(xué)性質(zhì)第一節(jié)、硅的基本物理和化學(xué)性質(zhì)1.1.1半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn)硅半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)有兩個(gè)十分突出的特點(diǎn)：硅材料的電性能有以下二個(gè)顯著特點(diǎn)： 一是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻率約在10-41010m 范圍內(nèi)； 二是電導(dǎo)率和導(dǎo)電型號對雜質(zhì)和外界因素（光、熱、磁等）高度敏感。綜上所述，半導(dǎo)體的電阻率數(shù)值對溫度、雜質(zhì)和光照三個(gè)外部條件變化

6、有較高的敏感性。 材料科學(xué)與工程學(xué)院什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？導(dǎo)體（Conductor）導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)絕緣體（Insolator） 是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類物質(zhì)是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類物質(zhì)半導(dǎo)體（Semiconductor） 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo)體導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo)體的基本特性的一類材料。的基本特性的一類材料。 材料科學(xué)與工程學(xué)院二、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1 1、本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，、本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體， 很少實(shí)際應(yīng)用很少實(shí)際應(yīng)用 2 2、雜質(zhì)半導(dǎo)

7、體：有、雜質(zhì)半導(dǎo)體：有n n型和型和p p型型 nn電子電子pp空穴空穴 材料科學(xué)與工程學(xué)院第二節(jié)、硅的化學(xué)性質(zhì)：第二節(jié)、硅的化學(xué)性質(zhì)：v硅的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在高溫下能與氧氣等硅的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在高溫下能與氧氣等多種元素化合，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于多種元素化合，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于氫氟酸和堿液，用于制造合金如硅鐵、硅鋼等。氫氟酸和堿液，用于制造合金如硅鐵、硅鋼等。 結(jié)晶型的硅是暗黑藍(lán)色的，很脆，是典型的半結(jié)晶型的硅是暗黑藍(lán)色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化導(dǎo)體?；瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)

8、生反應(yīng)。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 硅原子最外層有4個(gè)電子， 既不容易失電子，也不容易得電子 可得4個(gè)電子，顯氧化性 可失4個(gè)電子，顯還原性 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅與鹵素或鹵化氫作用可生成相應(yīng)的鹵化物。生成的SiCl4可作為硅外延生產(chǎn)的原料，生成的SiHCl3是高純硅化學(xué)提純的中間產(chǎn)物。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 硅在高溫下可與H2O、O2發(fā)生如下反應(yīng)，硅平面工藝中，常用此反應(yīng)制備SiO2掩蔽膜。 硅烷的活性很高，在空氣中自燃，固態(tài)硅烷與液氧混合，在-190低溫下也易發(fā)生爆炸，因其危險(xiǎn)性，使用受到限制。 硅烷由于4個(gè)鍵都是Si-H鍵，很不穩(wěn)定，易熱分解。用這一特性可制取高純硅。 材料科學(xué)與工程學(xué)院在室溫下，

9、硅的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，與空氣、水和酸均無反應(yīng)，但與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用，硅極易被HNO3 HF的混合酸所溶解，因此，在硅片加工及集成電路器件工藝中，HNO3 HF混合酸常常用作硅的腐蝕液。在高溫下，硅與鍺的化學(xué)活性大，可與氧、鹵素、鹵化氫、碳等反應(yīng)。326224644SiHNOHFH SiFNOH O 223222SiNaOH H ONa SiOH 材料科學(xué)與工程學(xué)院第三節(jié)、硅的光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)： 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅材料的熱學(xué)性質(zhì)硅材料的熱學(xué)性質(zhì) 硅是具有明顯的熱膨脹及熱傳導(dǎo)性質(zhì)的材料，當(dāng)硅在熔化時(shí)其體積會縮小，反之，當(dāng)硅從液態(tài)凝固時(shí)其體積會膨脹，正因如此，在采用直拉法（CZ法）技術(shù)生長晶體過程中，

10、在收尾結(jié)束后，剩余的硅熔體冷卻凝固時(shí)會導(dǎo)致石英坩堝破裂現(xiàn)象。 由于硅具有較大的表面張力和較小的密度（液態(tài)時(shí)為2.533g/cm3），據(jù)此特性可采用懸浮區(qū)熔技術(shù)生長晶體，此法既可避免石英坩堝對硅的玷污，又可進(jìn)行多次區(qū)熔提純及制備低氧高純的區(qū)熔硅單晶。 材料科學(xué)與工程學(xué)院硅材料的力學(xué)（機(jī)械）性質(zhì)硅材料的力學(xué)（機(jī)械）性質(zhì) 在室溫時(shí)，硅是一種無延展性的脆性材料。但在溫度高于700-800時(shí)，硅卻具有明顯的熱塑性，在應(yīng)力的作用下會呈現(xiàn)塑性變形。硅的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗剪應(yīng)力，故在硅片的加工過程中會產(chǎn)生彎曲和翹曲，也極容易產(chǎn)生裂紋或破碎。 材料科學(xué)與工程學(xué)院n 3.2.3 硅材料的電學(xué)性質(zhì) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間