硅晶片组成成分

硅晶片

硅是一种灰色、易碎、四价的非金属化学元素。地壳成分中278%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，也是大多数半导体和微电子芯片的主要原料。有意思的是，硅自身的导电性并不是很好。然而，可以通过添加适当的搀杂剂来精确控制它的电阻率。

制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片。这要从硅锭的生长开始。单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体，这种模式贯穿整个材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。

加工硅晶片

生成一个硅锭要花一周到一个月的时间，这取决于很多因素，包括大小、质量和终端用户要求。超过 75%的单晶硅晶圆片都是通过 Czochralski (CZ) 方法生长的。CZ 硅锭生长需要大块的纯净多晶硅将这些块状物连同少量的特殊III、V族元素放置在石英坩埚中，这称为搀杂。 加入的搀杂剂使那些长大的硅锭表现出所需要的电特性。最普通的搀杂剂是硼、磷、砷和锑。因使用的搀杂剂不同，会成为一个 P 型或 N型的硅锭（P 型 / 硼 ， N 型 / 磷、 锑、砷）。

然后将这些物质加热到硅的熔点--摄氏1420度之上。一旦多晶硅和搀杂剂混合物熔解，便将单晶硅种子放在熔解物的上面，只接触表面。种子与要求的成品硅锭有相同的晶向。为了使搀杂均匀，子晶和用来熔化硅的坩埚要以相反的方向旋转。一旦达到晶体生长的条件，子晶就从熔化物中慢慢被提起。生长过程开始于快速提拉子晶，以便使生长过程初期中子晶内的晶缺陷降到最少。然后降低拖拉速度，使晶体的直径增大。当达到所要求的直径时，生长条件就稳定下来以保持该直径。因为种子是慢慢浮出熔化物的，种子和熔化物间的表面张力在子晶表面上形成一层薄的硅膜，然后冷却。冷却时，已熔化硅中的原子会按照子晶的晶体结构自我定向。

硅锭完全长大时，它的初始直径要比最终晶圆片要求的直径大一点。接下来硅锭被刻出一个小豁口或一个小平面，以显示晶向。一旦通过检查，就将硅锭切割成晶圆片。由于硅很硬，要用金刚石锯来准确切割晶圆片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。金刚石锯也有助于减少对晶圆片的损伤、厚度不均、弯曲以及翘曲缺陷。

切割晶圆片后，开始进入研磨工艺。研磨晶圆片以减少正面和背面的锯痕和表面损伤。同时打薄晶圆片并帮助释放切割过程中积累的硬力。研磨后，进入刻蚀和清洗工艺，使用氢氧化钠、乙酸和硝酸的混合物以减轻磨片过程中产生的损伤和裂纹。关键的倒角工艺是要将晶圆片的边缘磨圆，彻底消除将来电路制作过程中破损的可能性。倒角后，要按照最终用户的要求，经常需要对边缘进行抛光，提高整体清洁度以进一步减少破损。

生产过程中最重要的工艺是抛光晶圆片，此工艺在超净间中进行。超净间从一到一万分级，这些级数对应于每立方米空间中的颗粒数。这些颗粒在没有控制的大气环境下肉眼是不可见的。例如起居室或办公室中颗粒的数目大致在每立方米五百万个。为了保持洁净水平，生产工人必须穿能盖住全身且不吸引和携带颗粒的洁净服。在进入超净间前，工人必须进入吸尘室内以吹走可能积聚的任何颗粒。

大多数生产型晶圆片都要经过两三次的抛光, 抛光料是细浆或者抛光化合物。多数情况下，晶圆片仅仅是正面抛光，而300毫米的晶圆片需要双面抛光。除双面抛光以外，抛光将使晶圆片的一面象镜面一样。抛光面用来生产电路，这面必须没有任何突起、微纹、划痕和残留损伤。抛光过程分为两个步骤，切削和最终抛光。这两步都要用到抛光垫和抛光浆。切削过程是去除硅上薄薄的一层，以生产出表面没有损伤的晶圆片。最终抛光并不去除任何物质，只是从抛光表面去除切削过程中产生的微坑。

抛光后，晶圆片要通过一系列清洗槽的清洗，这一过程是为去除表面颗粒、金属划痕和残留物。之后，要经常进行背面擦洗以去除最小的颗粒。

这些晶圆片经过清洗后，将他们按照最终用户的要求分类，并在高强度灯光或激光扫描系统下检查，以便发现不必要的颗粒或其他缺陷。一旦通过一系列的严格检测，最终的晶圆片即被包装在片盒中并用胶带密封。然后把它们放在真空封装的塑料箱子里，外部再用防护紧密的箱子封装，以确保离开超净间时没有任何颗粒和湿气进入片盒。

产品应用

半导体或芯片是由硅生产出来的。晶圆片上刻蚀出数以百万计的晶体管，这些晶体管比人的头发要细小上百倍。半导体通过控制电流来管理数据，形成各种文字、数字、声音、图象和色彩。它们被广泛用于集成电路，并间接被地球上的每个人使用。这些应用有些是日常应用，如计算机、电信和电视，还有的应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备、防御系统和NASA航天飞机。



含二氧化硅。

硅片是制作晶体管和集成电路的原料。一般是单晶硅的切片。硅片，是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成各种半导体器件。

用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。科学技术的发展不断推动着半导体的发展。自动化和计算机等技术发展，使硅片（集成电路）这种高技术产品的造价已降到十分低廉的程度。

硅片介绍：

在米粒大的硅片上，已能集成16万个晶体管，这是科学技术进步的又一个里程碑。

地壳中含量达258%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。由于硅元素是地壳中储量最丰富的元素之一，对太阳能电池这样注定要进入大规模市场（mass market）的产品而言，储量的优势也是硅成为光伏主要材料的原因之一。

简介：

已能集成4000多万个晶体管。这是何等精细的工程！这是多学科协同努力的结晶，是科学技术进步的又一个里程碑。

微电子技术正在悄悄走进航空、航天、工业、农业和国防，也正在悄悄进入每一个家庭。小小硅片的巨大“魔力”是我们的前人根本无法想象的。

水泥,陶瓷都是硅酸盐产品,玻璃里面也有硅酸盐,自然界中很多岩石也是硅酸盐

水晶,玛瑙,沙子,硅藻土,光导纤维主要成分是二氧化硅,玻璃中也有二氧化硅

单质硅：集成电路,太阳能电池板,LCD面板这类东西都是二氧化硅：沙子里有,还有玻璃硅酸盐：水泥

工业上，金属硅通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。 化学反应方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO 这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为997~998%的金属硅。金属硅的分类通常按金属硅成分所含的铁、铝、钙三种主要杂质的含量来分类。按照金属硅中铁、铝、钙的含量，可把金属硅分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号。金属硅的分类通常按金属硅成分所含的铁、铝、钙三种主要杂质的含量来分类。按照金属硅中铁、铝、钙的含量，可把金属硅分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号。工业上，金属硅通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。 化学反应方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO 这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为997~998%的金属硅。

硅guī（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量2809，有无定形和晶体两种同素异形体，同素异形体有无定形硅和结晶硅。属于元素周期表上IVA族的类金属元素。

晶体结构：晶胞为面心立方晶胞。

原子体积:(立方厘米/摩尔)

121

元素在太阳中的含量:(ppm)

900

元素在海水中的含量:(ppm)

太平洋表面 003

地壳中含量：（ppm）

277100

氧化态：

Main Si+2, Si+4

Other

化学键能： (kJ /mol)

Si-H 326

Si-C 301

Si-O 486

Si-F 582

Si-Cl 391

Si-Si 226

热导率: W/(m·K)

149

晶胞参数：

a = 54309 pm

b = 54309 pm

c = 54309 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 90°

莫氏硬度：65

声音在其中的传播速率：（m/S）

8433

电离能 (kJ/ mol)

M - M+ 7865

M+ - M2+ 15771

M2+ - M3+ 32314

M3+ - M4+ 43555

M4+ - M5+ 16091

M5+ - M6+ 19784

M6+ - M7+ 23786

M7+ - M8+ 29252

M8+ - M9+ 33876

M9+ - M10+ 38732

晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度24克／立方厘米，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含276％，

结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

硅的用途：

①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

③光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使 21世纪人类的生活发生革命性巨变。

④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。

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。

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，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。

有机硅材料按其形态的不同，可分为：硅烷偶联剂（有机硅化学试剂）、硅油（硅脂、硅乳液、硅表面活性剂）、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。

发现

1822年，瑞典化学家贝采里乌斯用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。

名称由来

源自英文silica，意为“硅石”。

分布

硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。

制备

工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。

化学反应方程式：

SiO2 + 2C → Si + 2CO

这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为997~998%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。

同位素

已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。

用途

硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。

元素周期表

总体特性

名称 符号 序号 系列 族 周期 元素分区 密度 硬度 颜色和外表 地壳含量

硅 Si 14 类金属 14族(IVA) 3 p 2330千克/立方米 65 深灰色、带蓝色调 257%

原子属性

原子量 原子半径 共价半径 范德华半径 价电子排布 电子在每能级的排布 氧化价（氧化物） 晶体结构

280855u （计算值)110（111)pm 111pm 210pm [Ne]3s23p2 2，8，4 4（两性的） 面心立方

物理属性

物质状态 熔点 沸点 摩尔体积 汽化热 熔化热 蒸气压 声速

固态 1687 K（1414 °C） 3173 K（2900 °C） 1206×10-6m3/mol 38422 kJ/mol 5055 kJ/mol 477 帕（1683K） 无数据

其他性质

电负性 比热 电导率 热导率 第一电离能 第二电离能 第三电离能 第四电离能

190（鲍林标度） 700 J/(kg·K) 252×10-4 /(米欧姆) 148 W/(m·K) 7865 kJ/mol 15771 kJ/mol 32316 kJ/mol 43555kJ/mol

第五电离能 第六电离能 第七电离能 第八电离能 第九电离能 第十电离能

16091 kJ/mol 19805 kJ/mol 23780 kJ/mol 29287 kJ/mol 33878 kJ/mol 38726 kJ/mol

最稳定的同位素

同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量(MeV) 衰变产物

28Si 9223% 稳定

29Si 467% 稳定

30Si 310% 稳定

32Si 人造 276年 β衰变 0224 32P

29Si

核自旋 1/2

元素名称：硅

元素原子量：2809

元素类型：非金属

发现人：贝采利乌斯 发现年代：1823年

发现过程：

1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。

元素描述：

由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽，呈灰色，密度232-234克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为167%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。

元素来源：

用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。

元素用途：

用于制造高硅铸铁、硅钢等合金，有机硅化合物和四氯化硅等，是一种重要的半导体材料，掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管，整流器和太阳能电池等。

元素辅助资料：

硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。

长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是，硅与氧、碳不同，在自然界中没有单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。

拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。

1823年，贝齐里乌斯将氟硅酸钾（K2SiF6）与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅，但直到贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧，生成二氧化硅——硅土，硅才被确定为一种元素。硅被命名为silicium，元素符号是Si。

硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。

造房子用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃，吃饭，喝水用的瓷碗、水杯，洗脸间的洁具，它们看上去截然不同，其实主要成分都是硅的化合物。虽然人们早在远古时代便使用硅的化合物粘土制造陶器。但直到1823年，瑞典化学家贝采利乌斯才首次分离出硅元素，并将硅在氧气中燃烧生成二氧化硅，确定硅为一种元素。中国曾称它为矽，因矽和锡同音，难于分辨，故于1953年将矽改称为硅。硅是一种非金属元素，化学符号是Si。它是构成矿物与岩石的主要元素。在自然界硅无游离状态，都存在于化合物中。硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸盐。例如，花岗岩是由石英、长石、云母混合组成的，石英即是二氧化硅的一种形式，长石和云母是硅酸盐。砂子和砂岩是不纯硅石的变体，是天然硅酸盐岩石风化后的产物。硅约占地壳总重量的2772％，其丰度仅次于氧。

硅是非金属元素，有无定形和晶体两种同素异形体，晶体硅具有金属光泽和某些金属特性，因此常被称为准金属元素。硅是一种重要的半导体材料，掺微量杂质的硅单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。二氧化硅（硅石）是最普遍的化合物，在自然界中分布极广，构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。大而透明的石英晶体叫水晶，黑色几乎不透明的石英晶体叫墨晶。石英的硬度为7。石英玻璃能透过紫外线，可以用来制造汞蒸气紫外光灯和光学仪器。自然界中还有无定形的硅，叫做硅藻土，常用作甘油炸药（硝化甘油）的吸附体，也可作绝热、隔音材料。普通的砂子是制造玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等的原料。硅酸干燥脱水后的产物为硅胶，它有很强的吸附能力，能吸收各种气体，因此常用来作吸附剂、干燥剂和部分催化剂的载体

这就是硅。