硅片上课讲义
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简单立方是一个原始晶胞。 a)每一个立方体的角结点处有一个原子 b) 每个原子有8个相邻晶胞
3
• 米勒指数 a) 用晶格矢量a1,a2,a3确定晶面的截距，并用晶格
常数的单位a1,a2,a3来表示结果。 b) 取这组数字的倒数， (当截距为无穷大，则倒数
为0）。在不能得到整数时，取三者的最小公分母 相乘，把结果放在圆括号内：(hkl)
不反应
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2 O
不反应 CO2+ CaO =CaCO3
只与HF反应
高温
SiO2 + CaO ===CaSiO3
14
二氧化硅的性质
与盐反应 弱氧化性
二氧化碳（CO2）
CO2+ Na2CO3+H2O==2NaHCO3
CO2+ Na2SiO3 +H2O== 高温 Na2CO3+H2SiO3↓
四面体
6
立方结构
六角形结构 隧道效应
7
多晶和单晶结构
Polycrystalline structure
Monocrystalline structure
8
2 硅的来源 • 硅是微电子及微系统技术领域使用的基本材料 • 硅是一种灰色、易碎、四价的非金属化学元素。地壳成分
中27.8%是硅元素构成的，其次是氧元素，硅是自然界中 最丰富的元素。在石英、玛瑙、燧石和普通的滩石中就可 以发现硅元素。硅是建筑材料水泥、砖、和玻璃中的主要 成分。 如二氧化硅（SiO2） -----石英、水晶 硅酸盐（SiO32-） ------高岭石、黏土等
Z
Z
Z
X (100)
Y X
(110)
Y
Y
X (111)
4
Conventions: – (hkl): single plane or set of all parallel planes. – ( h kl): for a plane that intercepts the x axis on the negative side of the origin. – {hkl}: for all planes of equivalent symmetry, such as {100} for (100), (010), (001), (100), (010), and (001) in cubic symmetry.
• 所需要的是高纯度的单晶硅
9
• 硅的物理性质 沸点 (oC) : 2355 密度 (gm/cc): 2.32 -2.34 水溶性: Insoluble 熔点 (oC): 1410 外观/气味: Dark brown powder; no odor
单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅可以分为单晶体和多晶 体。
1、耐高温。石英玻璃的软化点温度约1730度，可在 1100度下长时间使用，短时间最高温度可达到1450度。
2、耐腐蚀。除氢氟酸外，石英玻璃几乎不与其他酸类物 质发生化学反应,其耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的150 倍，尤其是在高温下的化学稳定性，是其他任何工程材料都 无法比拟的。
3、热稳定性好。石英玻璃的热膨胀系数极小，能承受剧 烈的温度变化，将石英玻璃加热至1100度左右，放入常温 水中也不会炸裂。
硅片
1. 晶体结构 晶体 是一个固体，是在三维空间含有周期性重复的结构单元。 这一个单元可以是一个原子（原始晶胞），也可以是一 个大的分子集团。
晶格 晶体中的原子和分子被缩小到一个点，数学抽象的晶体。 晶胞 用晶格矢量形成的最小可能的平行六边体称为晶胞
2
• 常见的立方晶格 简单立方（sc） 面心立方（fcc） 体心立方来自百度文库bcc）
– [hkl]: for the direction perpendicular to the (hkl) plane. – <hkl>: for a full set of equivalent directions.
5
硅晶体： 首先从一个面心立方开始，然后在每一个开始的结点处 由两个原子代替（面心立方金刚石结构） 一个原子原位，一个（1/4,1/4,1/4)
11
在VLSI中，一万亿个硅原子仅允许含有少于一个的重金属 元素。 问题：1立方厘米的硅中有 多少杂质？ (密度2330kg/m3)
12
二氧化硅的结构
Si O Si O Si O
O
O
O
Si O Si O Si O
O
O
O
Si O Si O Si O
O
O
O
SiO2的平面结构
SiO2的立体结构
13
二氧化硅的性质
CO2+C ==点=燃2CO
CO2+2Mg===C+2MgO
二氧化硅(SiO2)
高温
SiO2+ CaCO3===CaSiO3 +CO2↑
高温
SiO2+ 2C===Si + 2CO↑
讨论：为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮 塞而不用玻璃塞（玻璃中有SiO2)?
15
水晶晶体与石英玻璃
石英玻璃是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃，是一种非 常优良的基础材料。石英玻璃具有一系列优良的物理，化学 性能。
存在 结构 物理性质 与水反应
与NaOH反应
与酸反应
与CaO反应
二氧化碳（CO2）
空气
二氧化硅(SiO2)
存在于岩石中，硅石、石英、 水晶、硅藻土
分子晶体，存在CO2分子。 原子晶体，不存在SiO2分子
无色气体，熔、沸点低，微 溶于水
坚硬难熔的固体，不溶于水。
CO2+ H2O ⇋H2CO3 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的结构类似于金 刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。晶体硅还有一个重要的性质，
。 就是它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
10
硅的化学性质
常温下，硅的性质可 归纳为三反应和三不 反应：
三反应：氟气(F2) 氢氟酸(HF)
强碱(NaOH)
三不反应：氧气(O2) 氯气(Cl2) 硝酸(HNO3)
4、透光性能好。石英玻璃在紫外到红外的整个光谱波段 都有较好的透光性能，可见光透过率在93%以上。
5、电绝缘性能好。石英玻璃的电阻值相当于普通玻璃的 一万倍，是极好的电绝缘材料，即使在高温下也具有良好的 电性能。
16
内容提要
• 硅及氧化硅的基本性质 • 硅片的生产
17
单晶硅的制造 –三氯氢硅氢还原法
1. 原料：石英砂，在碳作电极的电弧炉中还原
S2 i O 2 C S 2 iCO a 2t1 K00
3
• 米勒指数 a) 用晶格矢量a1,a2,a3确定晶面的截距，并用晶格
常数的单位a1,a2,a3来表示结果。 b) 取这组数字的倒数， (当截距为无穷大，则倒数
为0）。在不能得到整数时，取三者的最小公分母 相乘，把结果放在圆括号内：(hkl)
不反应
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2 O
不反应 CO2+ CaO =CaCO3
只与HF反应
高温
SiO2 + CaO ===CaSiO3
14
二氧化硅的性质
与盐反应 弱氧化性
二氧化碳（CO2）
CO2+ Na2CO3+H2O==2NaHCO3
CO2+ Na2SiO3 +H2O== 高温 Na2CO3+H2SiO3↓
四面体
6
立方结构
六角形结构 隧道效应
7
多晶和单晶结构
Polycrystalline structure
Monocrystalline structure
8
2 硅的来源 • 硅是微电子及微系统技术领域使用的基本材料 • 硅是一种灰色、易碎、四价的非金属化学元素。地壳成分
中27.8%是硅元素构成的，其次是氧元素，硅是自然界中 最丰富的元素。在石英、玛瑙、燧石和普通的滩石中就可 以发现硅元素。硅是建筑材料水泥、砖、和玻璃中的主要 成分。 如二氧化硅（SiO2） -----石英、水晶 硅酸盐（SiO32-） ------高岭石、黏土等
Z
Z
Z
X (100)
Y X
(110)
Y
Y
X (111)
4
Conventions: – (hkl): single plane or set of all parallel planes. – ( h kl): for a plane that intercepts the x axis on the negative side of the origin. – {hkl}: for all planes of equivalent symmetry, such as {100} for (100), (010), (001), (100), (010), and (001) in cubic symmetry.
• 所需要的是高纯度的单晶硅
9
• 硅的物理性质 沸点 (oC) : 2355 密度 (gm/cc): 2.32 -2.34 水溶性: Insoluble 熔点 (oC): 1410 外观/气味: Dark brown powder; no odor
单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅可以分为单晶体和多晶 体。
1、耐高温。石英玻璃的软化点温度约1730度，可在 1100度下长时间使用，短时间最高温度可达到1450度。
2、耐腐蚀。除氢氟酸外，石英玻璃几乎不与其他酸类物 质发生化学反应,其耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的150 倍，尤其是在高温下的化学稳定性，是其他任何工程材料都 无法比拟的。
3、热稳定性好。石英玻璃的热膨胀系数极小，能承受剧 烈的温度变化，将石英玻璃加热至1100度左右，放入常温 水中也不会炸裂。
硅片
1. 晶体结构 晶体 是一个固体，是在三维空间含有周期性重复的结构单元。 这一个单元可以是一个原子（原始晶胞），也可以是一 个大的分子集团。
晶格 晶体中的原子和分子被缩小到一个点，数学抽象的晶体。 晶胞 用晶格矢量形成的最小可能的平行六边体称为晶胞
2
• 常见的立方晶格 简单立方（sc） 面心立方（fcc） 体心立方来自百度文库bcc）
– [hkl]: for the direction perpendicular to the (hkl) plane. – <hkl>: for a full set of equivalent directions.
5
硅晶体： 首先从一个面心立方开始，然后在每一个开始的结点处 由两个原子代替（面心立方金刚石结构） 一个原子原位，一个（1/4,1/4,1/4)
11
在VLSI中，一万亿个硅原子仅允许含有少于一个的重金属 元素。 问题：1立方厘米的硅中有 多少杂质？ (密度2330kg/m3)
12
二氧化硅的结构
Si O Si O Si O
O
O
O
Si O Si O Si O
O
O
O
Si O Si O Si O
O
O
O
SiO2的平面结构
SiO2的立体结构
13
二氧化硅的性质
CO2+C ==点=燃2CO
CO2+2Mg===C+2MgO
二氧化硅(SiO2)
高温
SiO2+ CaCO3===CaSiO3 +CO2↑
高温
SiO2+ 2C===Si + 2CO↑
讨论：为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮 塞而不用玻璃塞（玻璃中有SiO2)?
15
水晶晶体与石英玻璃
石英玻璃是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃，是一种非 常优良的基础材料。石英玻璃具有一系列优良的物理，化学 性能。
存在 结构 物理性质 与水反应
与NaOH反应
与酸反应
与CaO反应
二氧化碳（CO2）
空气
二氧化硅(SiO2)
存在于岩石中，硅石、石英、 水晶、硅藻土
分子晶体，存在CO2分子。 原子晶体，不存在SiO2分子
无色气体，熔、沸点低，微 溶于水
坚硬难熔的固体，不溶于水。
CO2+ H2O ⇋H2CO3 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的结构类似于金 刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。晶体硅还有一个重要的性质，
。 就是它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
10
硅的化学性质
常温下，硅的性质可 归纳为三反应和三不 反应：
三反应：氟气(F2) 氢氟酸(HF)
强碱(NaOH)
三不反应：氧气(O2) 氯气(Cl2) 硝酸(HNO3)
4、透光性能好。石英玻璃在紫外到红外的整个光谱波段 都有较好的透光性能，可见光透过率在93%以上。
5、电绝缘性能好。石英玻璃的电阻值相当于普通玻璃的 一万倍，是极好的电绝缘材料，即使在高温下也具有良好的 电性能。
16
内容提要
• 硅及氧化硅的基本性质 • 硅片的生产
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单晶硅的制造 –三氯氢硅氢还原法
1. 原料：石英砂，在碳作电极的电弧炉中还原
S2 i O 2 C S 2 iCO a 2t1 K00