硅材料的分类与制备(ppt 20页)
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学习课件(有机硅)
05
有机硅的未来发展与挑战
有机硅的发展趋势
01
02
03
环保化
随着环保意识的提高，有 机硅行业将更加注重环保 生产，减少对环境的污染。
高性能化
有机硅材料不断向高性能 化发展，提高其耐温、耐 腐蚀、抗氧化等性能。
多元化
有机硅产品种类不断增多， 应用领域不断拓展，以满 足不同行业的需求。
有机硅面临的挑战与问题
有机硅在汽车制造领域的应用
总结词
提高汽车性能
详细描述
总结词
有机硅在汽车制造中主要用于 生产高性能的密封件、减震件 和涂层。这些产品可以提高汽 车的舒适性、稳定性和耐久性 ，并增强汽车的外观效果。
轻量化材料
详细描述
有机硅材料相对较轻，可以替 代部分金属材料，降低汽车的 整体重量。轻量化设计是汽车 节能减排的重要手段之一，有 利于提高汽车的燃油经济性和 排放性能。
学习课件(有机硅)
• 有机硅简介 • 有机硅的种类与合成 • 有机硅材料的性能与改性 • 有机硅在各领域的应用 • 有机硅的未来发展与挑战
01
有机硅简介
有机硅的定义
有机硅
是指含有硅元素的有机化合物， 也称为硅基有机化合物。
定义解释
有机硅由碳和硅两种元素组成， 其分子结构中碳-硅键的键能高， 使其具有独特的物理和化学性质 。
19世纪
有机硅化合物的研究开始起步。
20世纪40年代
出现商业化的有机硅产品，如 硅橡胶和硅树脂。
21世纪
有机硅材料在各领域的应用更 加广泛，成为现代工业和科技 发展的重要支撑材料之一。
02
有机硅的种类与合成
有机硅单体的合成
01
02
03
硅1
比碳酸弱。
为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人设计 用如右图装置，一次实验即可达到目的（不必再选用 其它酸性溶液）。请依据此实验填空：
（1）锥形瓶内装某可溶性正盐固体，分液漏斗中所 盛试剂是____________ 。 盐酸 饱和NaHCO3溶液 （2）装置B所盛试剂是____________，装置B所盛 除CO2中含有的HCl 试剂的作用是__________________。 Na2SiO3溶液 （3）装置C所盛试剂是____________，出现的现象 是____________________________。 产生白色凝胶
3二氧化硅与二氧化碳的比较
二氧化碳CO2 物质分类 二氧化硅SiO2 均属于酸性氧化 物
高温 CaO＋SiO2 CaSiO3
与碱性氧化 CO2 ＋ CaO=CaCO3 物反应 CO2 ＋2NaOH＝ 与碱反应
SiO2 ＋2NaOH＝ Na2SiO3+H2O Na2CO3+H2O 不反 应
与水反应
CO2 ＋ H2O＝H2CO3
硅酸的制取——由于SiO2不溶于水，所 以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制 得的。
SiO32- + 2H+==H2SiO3↓
Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3
活动与探究：
硅酸是一种比碳Biblioteka 还要弱的酸。请利用中学实验室常见的仪器及药品， 设计一个简单实验，证明硅酸的酸性
硅酸盐组成的表示方法
硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常
可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示 其组成。 表示方法：金属元素氧化物写在前面，再 写SiO2，最后写H2O；氧化物之间用“·” 隔开。 书写原则：活泼金属氧化物+较活泼金属氧化 物+二氧化硅+水 硅酸钠：Na2SiO3可以写成Na2O ·SiO2 高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O Al 钙长石：CaAl2SiO6 CaO · 2O3 ·SiO2
单晶硅的制备_图文
单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率 随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征 半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其 导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素， 如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。
晶体硅的金刚石结构
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或 无定形硅，然后用直拉法（Czochralski 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切
除。
硅在水平区熔法上的两个主要的问 题：
1、硅在熔融状态下有很强的化学活性，几 乎没有不与其发生反应的容器，即使高纯 石英舟或坩埚，也要和熔融硅发生化学反 应，使单晶的纯度受到限制。因此，目前 不用水平区熔法制取纯度更高的单晶硅。
2、硼、磷的分凝系数接近 1 ，仅用区熔提 纯不能除去，这也一直是限制物理法提纯 硅材料的一个关键问题
硅的纯化
人工加热石英砂和碳 SiO2 + C →Si + CO2↑
电子级硅（EGS）
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称
AMD
处理器
单晶硅太阳能电池板
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展 ，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
晶体硅的金刚石结构
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或 无定形硅，然后用直拉法（Czochralski 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切
除。
硅在水平区熔法上的两个主要的问 题：
1、硅在熔融状态下有很强的化学活性，几 乎没有不与其发生反应的容器，即使高纯 石英舟或坩埚，也要和熔融硅发生化学反 应，使单晶的纯度受到限制。因此，目前 不用水平区熔法制取纯度更高的单晶硅。
2、硼、磷的分凝系数接近 1 ，仅用区熔提 纯不能除去，这也一直是限制物理法提纯 硅材料的一个关键问题
硅的纯化
人工加热石英砂和碳 SiO2 + C →Si + CO2↑
电子级硅（EGS）
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称
AMD
处理器
单晶硅太阳能电池板
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展 ，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
硅料分类
三、制程回收料
• 单晶： 1、分类：按用途分太阳能级、半导体级（包括IC级）单晶硅；按 生产工艺可分为直拉法单晶硅、区熔法单晶硅；还可按导电类型、 掺杂 元素、晶体晶向等分类方式。 2、制程副产品：单晶头尾料、边皮料、吊渣料、锅底料、籽晶料； 3、品质不良料：晶变反切料、少子偏低、直径偏小、氧碳含量偏 高的原棒；（另外还有事故料、提纯料） • 多晶： 制程异常料如裂锭、溢流料；品质不良料如边长、电阻率、少子、 氧碳含量不良等；副产品如头尾料、边皮料、废弃层、尾废料；还 有提纯锭产生的头尾、边角回收料。
▲.粉状多晶硅
• 粉状多晶硅的纯度及相关技术要求应符合下表2的规定。
项目 P含量，ppma B含量，ppma 氧浓度，at/cm3 碳浓度，at/cm3 太阳能级硅多晶等级 1级品 ≤0.0017 ≤0.0005 ≤1.0×1017 ≤2.5×1016 Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Ca、 Mg、Al， 2级品 ≤0.006 ≤0.027 ≤1.0×1017 ≤5.0×1016 Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Ca、 Mg、Al，
注；碎料与粉状料为破碎还原炉生产出的硅棒时产生的细小料。
▲.碳头料
• 碳头料中的碳去除干净，可以用作太阳能 铸锭和拉棒。其技术要求同表1太阳能级块 状和棒状多晶硅纯度要求中的2级品。
▲.多晶硅样品料（纯度可达11N）
▲.粒状多晶硅（纯度可达11N）
▲.多晶硅碎料
（纯度可达11N）
▲.多晶硅籽晶断切料（纯度可达11N）
品质检测
切片 原片深加工
▲.单晶硅的分类
单晶分类 用途 生产工艺 导电类型 太阳能级 直拉法 半导体级（包括IC级） 区熔法
P型 N型 （掺杂元素为第三主族元素） （掺杂元素为第五主族元素） 第Ⅲ主族元素 （如B、Al、Ga、In） 高浓度重掺 （电阻率≤0.02Ω•ｃｍ） 第Ⅴ主族元素 （如P、As、Sb、Bi） 低浓度轻掺 （0.5~20Ω•ｃｍ）
无机非金属材料+第1课时硅和二氧化硅课件2022-2023高一下学期人教版(2019)化学必修第二册
高温结构陶瓷 新型陶瓷 透明陶瓷
压电陶瓷 超导陶瓷
4、碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料， 主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯 等。
在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
碳纳米材料 —— 富勒烯 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。
C60 是富勒烯的代表物。 C60 的发现为纳米科学提供了 重要的研究对象，开启了碳纳 米材料研究和应用的新时代。
新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。
（1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不
可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是 ① (填写序号)
①光导纤维
②水泥
③玻璃
④陶瓷
（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于 混合物 (填“纯净物”或“混合物”)。有
些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的
第三节 无机非金属材料
1.硅
硅元素含量仅此于氧，位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。 单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。
Si +14 2 8 4
主要形成四价的化合物
(1)硅的用途
Si导电性介于导体和半导体 之间,是良好的半导体材料, 硅是信息技术的关键材料。
半导体材料
硅芯片
硅太阳能电池
【思考】 硅是非金属元素，为什么硅晶体可以导电用作半导体？
胶塞的试剂瓶中
知识巩固
课堂练习
2. 下列关于硅酸的说法正确的是（ B ）
A．硅酸可以通过 SiO2 和 H2O 化合反应直接制得 B．可用反应 Na2SiO3+2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ 制取硅酸 C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与 NaOH 溶液反应 D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠
半导体硅材料基础知识
据报导 ，2006年全球多晶硅的总产量约 32500吨，其中 40%左右产于美国，30%产于日本，20%左右产于欧洲（ 主要是德国和意大利），10%左右产于前苏联（主要是乌 克兰的杜涅兹克工厂）。
目前中国有四川的峨眉半导体材料厂、四川新光、洛阳中 硅等生产多晶硅，今年年产量预计可达1000吨左右， 只占 世界产量的2％左右。
第14页，本讲稿共44页
半导体硅材料的制备 ：
全球80%以上的多晶硅是用这种方法制备的，其纯度可达7—9个 “九”，基本可以满足大规模集成电路的要求。多数工厂在氢还原 工艺中采用12—24对棒的还原炉生产，多晶硅棒的直径在φ100— 200mm之间，炉产量在1.5—3吨，大约要180—200小时才能生产一 炉。据报导有50对棒的还原炉，单炉产量可达10吨以上。
• 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容
易传导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材 料。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们 的电阻率极低，大约是10-6—10-8Ωcm。如金属 铜的电阻率仅为1.75×10-8Ωcm。
• 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不
导电的一类物质，如：玻璃、橡胶、石英等材料 。绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电 阻率＞108Ωcm。
第6页，本讲稿共44页
半导体硅材料基础知识
由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正 好等于原子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下 ，整体上处于电中性状态。我们常常把原子核最外层那些离 原子核最远的电子叫作价电子。这些价电子受原子核的束缚 较弱，在外电场或其它外力（如光照）的作用下，很容易摆 脱原子核的束缚而成为自由电子。金属导体之所以容易导电 ，是因为在金属体内存在着大量的自由电子，在外电场的作 用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反方向流动， 这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外电场 的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大， 它的导电性能越好，其电阻率就越低。
目前中国有四川的峨眉半导体材料厂、四川新光、洛阳中 硅等生产多晶硅，今年年产量预计可达1000吨左右， 只占 世界产量的2％左右。
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半导体硅材料的制备 ：
全球80%以上的多晶硅是用这种方法制备的，其纯度可达7—9个 “九”，基本可以满足大规模集成电路的要求。多数工厂在氢还原 工艺中采用12—24对棒的还原炉生产，多晶硅棒的直径在φ100— 200mm之间，炉产量在1.5—3吨，大约要180—200小时才能生产一 炉。据报导有50对棒的还原炉，单炉产量可达10吨以上。
• 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容
易传导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材 料。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们 的电阻率极低，大约是10-6—10-8Ωcm。如金属 铜的电阻率仅为1.75×10-8Ωcm。
• 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不
导电的一类物质，如：玻璃、橡胶、石英等材料 。绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电 阻率＞108Ωcm。
第6页，本讲稿共44页
半导体硅材料基础知识
由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正 好等于原子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下 ，整体上处于电中性状态。我们常常把原子核最外层那些离 原子核最远的电子叫作价电子。这些价电子受原子核的束缚 较弱，在外电场或其它外力（如光照）的作用下，很容易摆 脱原子核的束缚而成为自由电子。金属导体之所以容易导电 ，是因为在金属体内存在着大量的自由电子，在外电场的作 用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反方向流动， 这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外电场 的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大， 它的导电性能越好，其电阻率就越低。
硅材料及衬底制备
表面质量与完整性
优化硅衬底的表面质量和完整性，降低缺陷密度和杂质含量。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
硅衬底还可用于制造光伏组件，提高光伏发电的效率和可靠 性。
传感器领域的应用
压力传感器
硅材料具有高灵敏度、低滞后性和长期稳定性等特点，可用于制造压力传感器。
温度传感器
硅材料也可用于制造温度传感器，其具有响应速度快、精度高等优点。
其他领域的应用
生物医学
硅材料在生物医学领域中可用于制造 人工关节、牙齿等医疗器件。
硅的化学性质
稳定性
硅在常温下不易与氧、氮、氯等 非金属元素反应。
还原性
硅能够被碳、氢气等还原剂还原。
氧化性
在高温下，硅能够与氧反应生成二 氧化硅。
硅的分类与用途
01
02
03
04
单晶硅
用于制造集成电路、太阳能电 池等。
多晶硅
用于制造太阳能电池、电子器 件等。
纳米硅粉
用于制造涂料、橡胶、塑料等 高分子材料。
上沉积形成非晶硅薄膜。
化学气相沉积法
利用化学反应在衬底上沉积形成 非晶硅薄膜，常用的反应气体为
硅烷和氢气。
物理气相沉积法
利用物理方法将硅原子或分子沉 积在衬底上形成非晶硅薄膜。
04
硅材料及衬底的应用
微电子领域的应用
集成电路
01
硅材料是集成电路制造中最重要的基础材料之一，用于制造芯
片中的晶体管、电容、电阻等元件。
硅材料及衬底制备
contents
目录
• 硅材料基础 • 硅材料制备技术 • 硅衬底制备技术 • 硅材料及衬底的应用 • 硅材料及衬底的发展趋势与挑战
优化硅衬底的表面质量和完整性，降低缺陷密度和杂质含量。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
硅衬底还可用于制造光伏组件，提高光伏发电的效率和可靠 性。
传感器领域的应用
压力传感器
硅材料具有高灵敏度、低滞后性和长期稳定性等特点，可用于制造压力传感器。
温度传感器
硅材料也可用于制造温度传感器，其具有响应速度快、精度高等优点。
其他领域的应用
生物医学
硅材料在生物医学领域中可用于制造 人工关节、牙齿等医疗器件。
硅的化学性质
稳定性
硅在常温下不易与氧、氮、氯等 非金属元素反应。
还原性
硅能够被碳、氢气等还原剂还原。
氧化性
在高温下，硅能够与氧反应生成二 氧化硅。
硅的分类与用途
01
02
03
04
单晶硅
用于制造集成电路、太阳能电 池等。
多晶硅
用于制造太阳能电池、电子器 件等。
纳米硅粉
用于制造涂料、橡胶、塑料等 高分子材料。
上沉积形成非晶硅薄膜。
化学气相沉积法
利用化学反应在衬底上沉积形成 非晶硅薄膜，常用的反应气体为
硅烷和氢气。
物理气相沉积法
利用物理方法将硅原子或分子沉 积在衬底上形成非晶硅薄膜。
04
硅材料及衬底的应用
微电子领域的应用
集成电路
01
硅材料是集成电路制造中最重要的基础材料之一，用于制造芯
片中的晶体管、电容、电阻等元件。
硅材料及衬底制备
contents
目录
• 硅材料基础 • 硅材料制备技术 • 硅衬底制备技术 • 硅材料及衬底的应用 • 硅材料及衬底的发展趋势与挑战
有机硅材料
有机硅材料有机硅，英文名：silicone，即有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。
其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。
1、有机硅的结构有机硅材料具有独特的结构：•（1）Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；•（2）C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；•（3）Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。
•（4）Si-O键是具有50%离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无方向性）。
•由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性2、有机硅的性能•有机硅产品的基本结构单元是由硅－氧链节构成的，侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。
因此，在有机硅产品的结构中既含有" 有机基团"，又含有"无机结构"，这种特殊的组成和分子结构使它集有机物的特性与无机物的功能于一身。
与其他高分子材料相比，有机硅产品的最突出性能是：耐温特性•有机硅产品是以硅－氧（Si－O）键为主链结构的，C－C 键的键能为82.6千卡/克分子，Si－O键的键能在有机硅中为121千卡/克分子，所以有机硅产品的热稳定性高，高温下（或辐射照射）分子的化学键不断裂、不分解。
有机硅不但可耐高温，而且也耐低温，可在一个很宽的温度范围内使用。
无论是化学性能还是物理机械性能，随温度的变化都很小。
耐候性•有机硅产品的主链为－Si－O－，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。
有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力。
硅的制备及其晶体结构
性能上两大特点：固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）
天津工业大学
§1.1 硅材料的特点
▪ 硅器件室温下有较佳的特
性;
▪ 热稳定性好，更高的熔化 温度允许更宽的工艺容限;
▪ 高品质的氧化硅可由热生 长的方式较容易地制得;
硅(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
射频线圈
熔融液
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
天津工业大学
直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多
优点：生长过程中污染少，可生长极高纯单晶（高 功率、高压器件）
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限制了生长的 单晶硅锭的直径
除了应力形变可以产生位错外，晶格失配也可以引起位错。若某一部分掺 入较多的外来原子，就会使晶格发生压缩或膨胀，在掺杂和未掺杂的两部分 晶体界面上就会产生位错，以减少因晶格失配产生的应力。这种位错称为失 配位错。
天津工业大学
面缺陷——层错 （Side defects）
多晶的晶粒间界是最明显的面缺陷，晶粒间界是一个原子错排的过渡区。在密 堆积的晶体结构中，层错又称为堆积层错，是由原子排列顺序发生错乱引起的。 层错并不改变晶体的电学性质，但是会引起扩散杂质分布不均匀等影响。
▪ 直拉法 （Czochralski法)
▪ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
天津工业大学
直拉法（CZ）
天津工业大学
区域熔融法（FZ）
天津工业大学
§1.1 硅材料的特点
▪ 硅器件室温下有较佳的特
性;
▪ 热稳定性好，更高的熔化 温度允许更宽的工艺容限;
▪ 高品质的氧化硅可由热生 长的方式较容易地制得;
硅(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
射频线圈
熔融液
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
天津工业大学
直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多
优点：生长过程中污染少，可生长极高纯单晶（高 功率、高压器件）
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限制了生长的 单晶硅锭的直径
除了应力形变可以产生位错外，晶格失配也可以引起位错。若某一部分掺 入较多的外来原子，就会使晶格发生压缩或膨胀，在掺杂和未掺杂的两部分 晶体界面上就会产生位错，以减少因晶格失配产生的应力。这种位错称为失 配位错。
天津工业大学
面缺陷——层错 （Side defects）
多晶的晶粒间界是最明显的面缺陷，晶粒间界是一个原子错排的过渡区。在密 堆积的晶体结构中，层错又称为堆积层错，是由原子排列顺序发生错乱引起的。 层错并不改变晶体的电学性质，但是会引起扩散杂质分布不均匀等影响。
▪ 直拉法 （Czochralski法)
▪ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
天津工业大学
直拉法（CZ）
天津工业大学
区域熔融法（FZ）
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Cu 等，其中Fe 含量最多。可用酸洗法初步提 纯，高纯硅还需进一步提纯。
2． 多晶硅的制备
由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间 体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅
三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的 主要方法
SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
概况 由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.9999999 ％以上）单晶硅
1． 粗硅的制备
粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。
反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、
太阳能电 池用硅片
太阳能电池
金属硅
改良西 门子法
三氯氢硅
副产品
多晶硅
单晶硅棒
硅片
有机硅 高纯氯硅烷
四氯化硅
光纤棒
硅酸乙酯 高纯石英
气相白碳黑
光纤
芯片制造及封装 半导体产品
半导体用硅材料产业链
电子级高纯多 晶硅
单晶硅
硅圆片
硅抛光、外 延片
电子整机产品
IC封装
IC芯 片
硅系太阳能电池产业链
多晶硅
多晶硅铸 锭
精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl
上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。
3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方 面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯 作用（分凝效应）。 区熔(FZ) 法 直拉法(CZ) ：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种慢慢拉出单 晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
2.1 重要的半导体材料——硅
硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个 原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子 可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。
金刚石结构
硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还 是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高 纯度。
用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
2.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所
用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现
单晶硅片（晶圓）
2、按纯度分：
名称
英文缩写
杂质总含量
主要用途
合金级硅
AG-Si
1N
炼合金
冶金级硅
MG-Si
2N
炼合金及化工等
单晶硅棒
太阳能电池用硅片
块状太阳能电池
衬底
多晶硅和微晶硅薄膜太阳能电池
太阳能电 池组件
薄膜
非晶硅薄膜太阳能电池
不知道自己缺点的人，一辈子都不会想要改善。成功的花，人们只惊慕她现时的明艳！然而当初她的芽儿，浸透了奋斗的泪泉，洒遍了牺牲的血雨。成功的条件在于勇气和 信乃是由健全的思想和健康的体魄而来。成功了自己笑一辈子，不成功被人笑一辈子。成功只有一个理由，失败却有一千种理由。从胜利学得少，从失败学得多。你生而有 前进，形如蝼蚁。你一天的爱心可能带来别人一生的感谢。逆风的方向，更适合飞翔。只有承担起旅途风雨，才能最终守得住彩虹满天只有创造，才是真正的享受，只有拚 活。知识玩转财富。志不立，天下无可成之事。竹笋虽然柔嫩，但它不怕重压，敢于奋斗、敢于冒尖。阻止你前行的，不是人生道路上的一百块石头，而是你鞋子里的那一 爱，不必呼天抢地，只是相顾无言。最值得欣赏的风景，是自己奋斗的足迹。爱的力量大到可以使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒的沙石也不能容纳。生活不可能像你想 不会像你想的那么糟。时间告诉你什么叫衰老，回忆告诉你什么叫幼稚。不要总在过去的回忆里缠绵，昨天的太阳，晒不干今天的衣裳。实现梦想往往是一个艰苦的坚持的 到位，立竿见影。那些成就卓越的人，几乎都在追求梦想的过程中表现出一种顽强的毅力。世界上唯一不变的字就是“变”字。事实胜于雄辩，百闻不如一见。思路决定出 细节决定成败，性格决定命运虽然你的思维相对于宇宙智慧来说只不过是汪洋中的一滴水，但这滴水却凝聚着海洋的全部财富；是质量上的一而非数量上的一；你的思维拥 所有过不去的都会过去，要对时间有耐心。人总会遇到挫折，总会有低潮，会有不被人理解的时候。如果你希望成功，以恒心为良友，以经验为参谋，以小心为兄弟，以希 个人不知道他要驶向哪个码头，那么任何风都不会是顺风。沙漠里的脚印很快就消逝了。一支支奋进歌却在跋涉者的心中长久激荡。上天完全是为了坚强你的意志，才在道 碍。拥有资源不能成功，善用资源才能成功。小成功靠自己，大成功靠团队。炫耀什么，缺少什么；掩饰什么，自卑什么。所谓正常人，只是自我防御比较好的人。真正的 防而又不受害。学习必须如蜜蜂一样，采过许多花，这才能酿出蜜来态度决定高度。外在压力增加时，就应增强内在的动力。我不是富二代，不能拼爹，但为了成功，我可 站在万人中央成为别人的光。人一辈子不长不短，走着走着，就进了坟墓，你是要轰轰烈烈地风光下葬，还是一把骨灰撒向河流山川。严于自律：不能成为自己本身之主人 他周围任何事物的主人。自律是完全拥有自己的内心并将其导向他所希望的目标的惟一正确的途径。生活对于智者永远是一首昂扬的歌，它的主旋律永远是奋斗。眼泪的存 伤不是一场幻觉。要不断提高自身的能力，才能益己及他。有能力办实事才不会毕竟空谈何益。故事的结束总是满载而归，就是金榜题名。一个人失败的最大原因，是对自 的信心，甚至以为自己必将失败无疑。一个人炫耀什么，说明内心缺少什么。一个人只有在全力以赴的时候才能发挥最大的潜能。我们的能力是有限的，有很多东西飘然于 之外。过去再优美，我们不能住进去；现在再艰险，我们也要走过去！即使行动导致错误，却也带来了学习与成长；不行动则是停滞与萎缩。你的所有不甘和怨气来源于你 你可以平凡，但不能平庸。懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。平凡的脚步也可以走完伟大的行程。平静的湖面锻炼不出精 生活打造不出生活的强者。人的生命似洪水在奔流��
除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是
2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2
SiHCl3性质 又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差，易水解
SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 注意要点
第二章 IC制造材料
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
导
体: 106~104(cm)-1
不同电阻特性 半导体: 104~10-10(cm)-1
不同输运机制 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
半导体 掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。 温度 、光照、压力等外界因素会使其导电能力大增。
(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或 银粉作为催化剂
(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率 (3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管 道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆 炸
SiHCl3的提纯 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯 多晶硅的制备
太阳级硅
SOG-Si
～6N
太阳能电池等
半导体级硅 （电子Biblioteka ）SEG-Si （EG-Si）
＞9N
半导体芯片等
随着纯度上升，成本呈指数上升
3、按结构分： 单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全
是金刚石型的。长程有序 多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。 非晶硅：短程有序，长程无序
各种硅材料的电子迁移率
区熔单晶硅(FZ-Si) 主要用于制作电力电子器件(SR、 SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉 单晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电 池等。
浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池 等。
拉单晶
2.4 多晶硅材料相关产业链产品
多晶硅 铸锭
单晶硅锭及硅片 非晶硅及多晶硅
上述3种分类一般要综合，例如： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 单晶硅锭（片） 多晶硅锭（片）
半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅 则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式 出现。
2.3 硅材料的制备
由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响， 所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需求 。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在 先， 物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从 低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯度 的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染 ，而物理提纯则没有这些污染。
2． 多晶硅的制备
由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间 体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅
三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的 主要方法
SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
概况 由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.9999999 ％以上）单晶硅
1． 粗硅的制备
粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。
反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、
太阳能电 池用硅片
太阳能电池
金属硅
改良西 门子法
三氯氢硅
副产品
多晶硅
单晶硅棒
硅片
有机硅 高纯氯硅烷
四氯化硅
光纤棒
硅酸乙酯 高纯石英
气相白碳黑
光纤
芯片制造及封装 半导体产品
半导体用硅材料产业链
电子级高纯多 晶硅
单晶硅
硅圆片
硅抛光、外 延片
电子整机产品
IC封装
IC芯 片
硅系太阳能电池产业链
多晶硅
多晶硅铸 锭
精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl
上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。
3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方 面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯 作用（分凝效应）。 区熔(FZ) 法 直拉法(CZ) ：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种慢慢拉出单 晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
2.1 重要的半导体材料——硅
硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个 原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子 可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。
金刚石结构
硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还 是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高 纯度。
用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
2.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所
用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现
单晶硅片（晶圓）
2、按纯度分：
名称
英文缩写
杂质总含量
主要用途
合金级硅
AG-Si
1N
炼合金
冶金级硅
MG-Si
2N
炼合金及化工等
单晶硅棒
太阳能电池用硅片
块状太阳能电池
衬底
多晶硅和微晶硅薄膜太阳能电池
太阳能电 池组件
薄膜
非晶硅薄膜太阳能电池
不知道自己缺点的人，一辈子都不会想要改善。成功的花，人们只惊慕她现时的明艳！然而当初她的芽儿，浸透了奋斗的泪泉，洒遍了牺牲的血雨。成功的条件在于勇气和 信乃是由健全的思想和健康的体魄而来。成功了自己笑一辈子，不成功被人笑一辈子。成功只有一个理由，失败却有一千种理由。从胜利学得少，从失败学得多。你生而有 前进，形如蝼蚁。你一天的爱心可能带来别人一生的感谢。逆风的方向，更适合飞翔。只有承担起旅途风雨，才能最终守得住彩虹满天只有创造，才是真正的享受，只有拚 活。知识玩转财富。志不立，天下无可成之事。竹笋虽然柔嫩，但它不怕重压，敢于奋斗、敢于冒尖。阻止你前行的，不是人生道路上的一百块石头，而是你鞋子里的那一 爱，不必呼天抢地，只是相顾无言。最值得欣赏的风景，是自己奋斗的足迹。爱的力量大到可以使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒的沙石也不能容纳。生活不可能像你想 不会像你想的那么糟。时间告诉你什么叫衰老，回忆告诉你什么叫幼稚。不要总在过去的回忆里缠绵，昨天的太阳，晒不干今天的衣裳。实现梦想往往是一个艰苦的坚持的 到位，立竿见影。那些成就卓越的人，几乎都在追求梦想的过程中表现出一种顽强的毅力。世界上唯一不变的字就是“变”字。事实胜于雄辩，百闻不如一见。思路决定出 细节决定成败，性格决定命运虽然你的思维相对于宇宙智慧来说只不过是汪洋中的一滴水，但这滴水却凝聚着海洋的全部财富；是质量上的一而非数量上的一；你的思维拥 所有过不去的都会过去，要对时间有耐心。人总会遇到挫折，总会有低潮，会有不被人理解的时候。如果你希望成功，以恒心为良友，以经验为参谋，以小心为兄弟，以希 个人不知道他要驶向哪个码头，那么任何风都不会是顺风。沙漠里的脚印很快就消逝了。一支支奋进歌却在跋涉者的心中长久激荡。上天完全是为了坚强你的意志，才在道 碍。拥有资源不能成功，善用资源才能成功。小成功靠自己，大成功靠团队。炫耀什么，缺少什么；掩饰什么，自卑什么。所谓正常人，只是自我防御比较好的人。真正的 防而又不受害。学习必须如蜜蜂一样，采过许多花，这才能酿出蜜来态度决定高度。外在压力增加时，就应增强内在的动力。我不是富二代，不能拼爹，但为了成功，我可 站在万人中央成为别人的光。人一辈子不长不短，走着走着，就进了坟墓，你是要轰轰烈烈地风光下葬，还是一把骨灰撒向河流山川。严于自律：不能成为自己本身之主人 他周围任何事物的主人。自律是完全拥有自己的内心并将其导向他所希望的目标的惟一正确的途径。生活对于智者永远是一首昂扬的歌，它的主旋律永远是奋斗。眼泪的存 伤不是一场幻觉。要不断提高自身的能力，才能益己及他。有能力办实事才不会毕竟空谈何益。故事的结束总是满载而归，就是金榜题名。一个人失败的最大原因，是对自 的信心，甚至以为自己必将失败无疑。一个人炫耀什么，说明内心缺少什么。一个人只有在全力以赴的时候才能发挥最大的潜能。我们的能力是有限的，有很多东西飘然于 之外。过去再优美，我们不能住进去；现在再艰险，我们也要走过去！即使行动导致错误，却也带来了学习与成长；不行动则是停滞与萎缩。你的所有不甘和怨气来源于你 你可以平凡，但不能平庸。懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。平凡的脚步也可以走完伟大的行程。平静的湖面锻炼不出精 生活打造不出生活的强者。人的生命似洪水在奔流��
除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是
2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2
SiHCl3性质 又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差，易水解
SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 注意要点
第二章 IC制造材料
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
导
体: 106~104(cm)-1
不同电阻特性 半导体: 104~10-10(cm)-1
不同输运机制 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
半导体 掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。 温度 、光照、压力等外界因素会使其导电能力大增。
(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或 银粉作为催化剂
(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率 (3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管 道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆 炸
SiHCl3的提纯 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯 多晶硅的制备
太阳级硅
SOG-Si
～6N
太阳能电池等
半导体级硅 （电子Biblioteka ）SEG-Si （EG-Si）
＞9N
半导体芯片等
随着纯度上升，成本呈指数上升
3、按结构分： 单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全
是金刚石型的。长程有序 多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。 非晶硅：短程有序，长程无序
各种硅材料的电子迁移率
区熔单晶硅(FZ-Si) 主要用于制作电力电子器件(SR、 SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉 单晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电 池等。
浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池 等。
拉单晶
2.4 多晶硅材料相关产业链产品
多晶硅 铸锭
单晶硅锭及硅片 非晶硅及多晶硅
上述3种分类一般要综合，例如： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 单晶硅锭（片） 多晶硅锭（片）
半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅 则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式 出现。
2.3 硅材料的制备
由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响， 所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需求 。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在 先， 物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从 低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯度 的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染 ，而物理提纯则没有这些污染。