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 ,原子價主要為4價，其次為2價，因而硅的化合物有二價化合物和四價化合物兩種，四價化合物比較穩(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，熔點1420，沸點，沸點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，熔點克立方厘米，熔點1410，沸點，沸點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、屬于共價四面體硅屬于共價四面體一、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)特點金剛石結(jié)構(gòu)特點v （1 1）共價四面體：）共價四面體：一個原子在四面體的中心，一個原子在四面體的中心，另外另外4 4個同它共價的原子在個同它共價的原子在正四面體正四面體的的4 4個頂角上，個頂角上，這種四面體也稱共價四面體。這種四面體也稱共價四面體。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)的另一個特點是內(nèi)部存在著相當(dāng)大的金剛石結(jié)構(gòu)的另一個特點是內(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)運動并存在于體內(nèi)，同時對替位雜質(zhì)的擴易地在晶體內(nèi)運動并存在于體內(nèi)，同時對替位雜質(zhì)的擴散運動提供了足夠的條件。散運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硅半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)有兩個十分突出的特點：硅材料的電性能有以下二個顯著特點： 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， 很少實際應(yīng)用很少實際應(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)晶型的硅是暗黑藍色的，很脆，是典型的半結(jié)晶型的硅是暗黑藍色的，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個電子， 既不容易失電子，也不容易得電子 可得4個電子，顯氧化性 可失4個電子，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，因其危險性，使用受到限制。 硅烷由于4個鍵都是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)，但與強酸、強堿作用，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 223222SiNaOHH 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)硅在熔化時其體積會縮小，反之，當(dāng)硅從液態(tài)凝固時其體積會膨脹，正因如此，在采用直拉法（CZ法）技術(shù)生長晶體過程中，在

10、收尾結(jié)束后，剩余的硅熔體冷卻凝固時會導(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)（機械）性質(zhì)硅材料的力學(xué)（機械）性質(zhì) 在室溫時，硅是一種無延展性的脆性材料。但在溫度高于700-800時，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)力遠遠大于抗剪應(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