3.2.2 硅材料的电学性质： 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，半导体之所以得到广泛 应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。 （1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加 （2）杂质对半导体材料导电能力的影响非常大 （3）光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响 （4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力） 的作用也会影响半导体材料的导电能力。
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结合键类型 离子键 共价键 金属键 分子键(范德华 键) 氢键
实例
LiCl NaCl KCl RbCl
结合能 ev/mol 主要特征
8.63 7.94 7.20 6.90 1.37 1.68 3.87 3.11 1.63 1.11 0.931 0.852 0.020 0.078 0.52 0.30
微纳制造工艺常用材料
小组成员：曾宇 胡成骏 罗婧雯 张洁
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纲 要
第一部分：微纳加工技术的应用实例 第二部分：微纳制造工艺中常用材料的种类及其结构 第三部分：硅材料的简介 第四部分：硅的加工技术 第五部分：硅微机械加工的应用领域
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微细铣削
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激光加工的微齿轮
微 汽 车 模 型
远古时候的“硅器”
陶瓷，主要成分为硅酸盐
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天然石英（SiO2）
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生活中的硅
水晶欣赏 金丝水晶球
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电脑中的 硅芯片
主 板
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硅的结构、分类、性质和来源
一、硅的结构： 1.1 元素周期表中，第三周期、第 IVA 族元素，原子序数 14，原子量 28 28电子排布 1S22S22P63S23P2 ,化合价为＋4 价（＋2 价）
世界上第一只锗晶体管及发明者
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发光二极管（LED） 全彩显示屏
微纳制造工艺中常用的半导体材料： • 锗（Ge）：1947 -1958 ，但耐高温和抗辐射性 能较差 • 硅（Si）：1962 -
• 砷化镓（GaAs）： 1970 • 宽带材料： ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996) • 高分子材料？稀土材料？ 无定形材料？
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微型机器人
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微纳制造工艺中常用材料的种类及其结构
1947年锗晶体管的诞生引起了电子工业的革命，打破了电子管一统天 下的局面，从此人类从使用电子管的时代进入半导体时代。 进入20世纪60年代，半导体工业的发展发生了一次飞跃，这是由于 以硅氧化和外延生长为前导的硅平面器件工艺的形成，使硅集成电路的 研制获得成功。 此外，GaN及其多元化合物还是半导体照明的首选材料。半导体灯将 有可能像50年前，晶体管取代电子管那样替代白炽灯，使照明工程进入 一个新时代。
体缺陷 体缺陷是三堆缺陷，在三个方向上尺寸都较大，例如晶体孔晶、漩 涡条纹、杂质条纹、包裹体、慢沙（由包裹体组成的层状分子）。
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二、硅的分类 ： 2.1 按纯净度划分：粗硅、提纯硅 提纯硅、高纯硅、掺杂硅、提纯硅、 掺杂硅
2.2 按晶体结构分：单晶硅、多晶硅
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单晶
非晶
多晶
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半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显 变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导 电能力明显改变。
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硅(锗)的原子结构
硅(锗)的共价键结构
自 由 电 子
空 穴 简化 模型 价电子 空穴 空穴可在共 价键内移动
惯性核
(束缚电子)
电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子， 对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对 应于价带中的电子空位
3.热氧化层较差 4.成本高
5. 缺陷密度太高。这也是其最严重的缺陷。
故硅被选为制造高密度集成电路的材料。1958年集成电路发明 以来，半导体单晶硅材料以其丰富的资源、优良的物理和化学 性能成为生产规模、生产工艺最完善和成熟的半导体材料。
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硅材料简介
硅是一种常见的物 质，它广泛的存在于 我们的日常生活中， 从你手中的手机，到 家中的电视，陶瓷餐 具，水晶工艺品，无 不包含着硅的身影。 可以说，硅在我们的 生活中无处不在。
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根据各自所具有的原子有序的大小，可分为三类：
• 单晶： 几乎所有的原子都占据着安排良好的规 则的位置，即晶格位置；——有源器件的衬底 • 非晶： 如SiO2, 原子不具有长程有序，其中的 化学键，键长和方向在一定的范围内变化；
• 多晶： 是彼此间随机取向的小单晶的聚集体 ，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时 常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化。
单晶硅：在晶体中，组成的原子按一定规则呈周期性排列。 多晶硅：由许多不同方位的单晶组成。
2.3 按导电类型划分：N 性、P 型
2.4 按硅的形状划分：粉状、粒状、块状、棒状、片状等。 2.5 按应用领域划分：太阳能级、电子级、航天级
2.6 按制造方法划分：原硅、拉晶硅、冶金硅等。
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单晶硅棒
(是用直拉工艺或区熔工艺生产的)
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多晶硅棒/块
(一般是用西门子工艺生产)
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粒状多晶硅
(使用流化床工艺生产)
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多晶硅锭
(一般是用浇铸工艺或定向凝固工艺生产的)
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单晶硅与多晶硅的比较：
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单晶硅的加工：
传统的圆形硅片加工的具体工艺流程一般为：单晶炉取出单 晶→检查称重量，量直径和其他表观特征→切割分段→测试→清 洗→外圆研磨→检测分档。检测项目包括直径，划痕，破损，裂 纹，方向指示线（标明头尾），定位面，长度，重量。导电类型 ，电阻率，电阻率均匀性，少数载流子寿命。位错，漩涡缺陷和 其他微缺陷等; →切片→倒角→清洗→磨片→清洗→检验→测厚分 类→化学腐蚀→测厚检验→抛光→清洗→再次抛光→清洗→电性 能测量→检验→包装→贮存。 圆形硅片其主要工序步骤如图6-1 所示，方形硅片其主要工序 步骤如图6-2 所示。
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无方向性，高配 位数，低温不导 电，高温离子导 电 方向性，低配位 数，纯金属低温 导电率很小 无方向性，高配 位数，密度高， 导电性高，塑性 好 低熔点、沸点压 缩系数大，保留 分子性质 结合力高于无氢 键分子
金刚石
Si Ge Sn Li Na K Rb Ne Ar H2O HF
与四种键型相联系的物理性质和结构性质
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3.2.3 硅材料的热学性质： 硅是具有明显的热膨胀及热传导性质的材料，当硅在熔化时其体积 会缩小，反之，当硅从液态凝固时其体积会膨胀，正因如此，在采用直 拉法（CZ法）技术生长晶体过程中，在收尾结束后，剩余的硅熔体冷却 凝固时会导致石英坩埚破裂现象。 由于硅具有较大的表面张力和较小的密度（液态时为2.533g/cm3）， 据此特性可采用悬浮区熔技术生长晶体，此法既可避免石英坩埚对硅的 玷污，又可进行多次区熔提纯及制备低氧高纯的区熔硅单晶。
1.2 硅有三种同位素 28Si：92.21％、29Si：4.70％、30Si：3.09％
1.3 晶体结构：金刚石结构（正四面体） ，原子间以共价键结合。
硅晶体结构
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硅单晶属金刚石结构，在实际的硅单晶中不可能整块晶体中原子 完全按金刚石结构整齐排列，总又某些局部区域点阵排列的规律性被 破坏，则该区域就称为晶体缺陷。晶体中缺陷根据缺陷相对晶体尺寸 或影响范围大小，可分为以下几类。 （1）点缺陷 点缺陷特征是三个方向的尺寸很小，只有几个原子间距，如各种溶 质原子引起的周围畸变区；空位，间隙原子以及这几类点缺陷的复合 体。 空位是当一个原子从其格点位臵移动到晶体表面时，晶格点阵缺少 原子所至；间隙原子是存在于晶体结构的空隙中；Frenkel缺陷是当一 个原子离开其格点位臵并产生了一个空位时，产生间隙原子-空隙对， 即Frenkel缺陷。 点 缺 陷 示 意 图
性质 结构
离子键
共价键
金属键
范德华力
形式上类似 于金属键
弱、得到软 晶体
有空间分布方向 无方向性、 无方向性、得到 性和配位数的限 得到高配位数 很高的配位数和 制，得到低配位、 的结构 高密度的结构 低密度的结构 强、得到硬晶 强、得到硬晶体 可变强度、常发 体 生滑移 熔点相当高， 熔点高，膨胀系 熔点可以变化， 膨胀系数小， 数小，熔融态是 液态区间长 熔融态是离子 分子 中等的绝缘体， 固态和熔融态都 导电，由电子流 在熔融态由离 是绝缘体 动导电 子导电 吸收，其他性 质主要是个别 离子的性质， 与溶液中性质 相似 高折射指数，光 的吸收与在溶液 不透明，和液态 中或气态时的吸 的性质相似 收很不相同
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硅在高温下可与H2O、O2发生如下反应，硅平面工艺中，常用此反应 制备SiO2掩蔽膜。
硅烷的活性很高，在空气中自燃，固态硅烷与液氧混合，在-190℃低 温下也易发生爆炸，因其危险性，使用受到限制。
硅烷由于4个键都是Si-H键，很不稳定，易热分解。用这一特性可制 取高纯硅。
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3.2.4 硅材料的机械性质： 在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料。但在温度高于700-800℃ 时，硅却具有明显的热塑性，在应力的作用下会呈现塑性变形。硅的抗 拉应力远远大于抗剪应力，故在硅片的加工过程中会产生弯曲和翘曲， 也极容易产生裂纹或破碎。
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（2）线缺陷 线缺陷特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），第三 个方向上的尺寸很大，可以贯穿整个晶体，属这一类缺陷主要是位错。 位错有三种基本类型：刃型位错、螺型位错、混合位错。