半导体光刻工艺之刻蚀——干法刻蚀

湿法腐蚀的优点在于可以控制腐蚀液的化学成分，使得腐蚀液对特定薄膜材料的腐蚀速率远远大于其他材料的腐蚀速率，从而提高腐蚀的选择性。但是，由于湿法腐蚀的化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下边的薄膜材料就不可避免的遭到腐蚀，这就使得湿法腐蚀无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。所以相对于各向同性的湿法腐蚀，各向异性的干法刻蚀就成为了当前集成电路技术中刻蚀工艺的主流。 一、干法刻蚀的原理 干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。干法刻蚀因其原理不同可分为两种，一种是利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀，也称为等离子体刻蚀。第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀，这种刻蚀是通过溅射过程完成的，也称为溅射刻蚀。上述两种方法的结合就产生了第三种刻蚀方法，称为反应离子刻蚀（简称RIE）。 在干法刻蚀中，纵向上的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率。这样，位于光刻胶边缘下边的材料，由于受到光刻胶的保护就不会被刻蚀。不过，在干法刻蚀的过程中，离子会对硅片上的光刻胶和无保护的薄膜同时进行轰击刻蚀，其刻蚀的选择性就比湿法刻蚀差（所谓的选择性是指刻蚀工艺对刻蚀薄膜和其他材料的刻蚀速率的比值，选择性越高，表示刻蚀主要是在需要刻蚀的材料上进行）。 在等离子体中存在有离子、电子和游离基（游离态的原子、分子或原子团）等，这些游离态的原子、分子或原子团等活性粒子，具有很强的化学活性，如果在这种等离子体中放入硅片，位于硅片表面上的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发态游离基发生化学反应，生成挥发性的物质，从而使薄膜材料受到刻蚀，这就是等离子体刻蚀的原理和过程。因为等离子体刻蚀主要是通过化学反应完成的，所以具有比较好的选择性，但是各向异性就相对较差。 在溅射刻蚀过程中，等离子体的高能离子射到硅片表面上的薄膜表面时，通过碰撞，高能离子与被碰撞的原子之间就会发生能量和动量的转移，从而使被撞原子受到扰动。如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原来的结合能（从几个eV到几十个eV）还要大，就会使被撞原子脱离原来的位置飞溅出来，产生溅射现象。例如，辉光放电中产生的氩离子，其能量高达500eV以上，这种高能离子束轰击硅片上的薄膜表面就会形成溅射刻蚀。溅射刻蚀的优点是各向异性刻蚀，而且效果很好，但是对刻蚀的选择性相对较差。 反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀与等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。在反应离子刻蚀中，同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀所使用的气体相同。由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此就可以灵活的工作条件以求获得最佳的刻蚀效果。举例来说，如果某种气体的等离子体只与Si起化学反应，由于化学反应阻挡层SiO2的存在，就可以得到良好的Si/SiO2刻蚀速率比，从而保证刻蚀选择性的要求。反应离子刻蚀的缺点在于刻蚀重点难以检测。 综上所述，等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间并没有明显的界限，一般来说，在刻蚀中物理作用和化学反应都可以发生。我们分析反应离子刻蚀、等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间的关系可以看到：在反应离子刻蚀中，物理和化学作用都特别重要；在等离子体刻蚀中，物理效应很弱，主要是化学反应；而在溅射刻蚀中，几乎是纯物理作用。比较这三种刻蚀技术我们还可以发现，它们都是利用低压状态下（约0.01—133Pa）气体放电来形成等离子体作为干法刻蚀的基础，其区别是放电条件、使用气体的类型和所用反应系统的不同。刻蚀反应的模式取决于刻蚀系统的压力、温度、气流、功率和相关的可控参数。目前，在集成电路工艺过程中广泛使用的是反应离子技术。下面简要介绍采用干法刻蚀对集成电路制造中常用材料的刻蚀情况。 二、二氧化硅和硅的干法刻蚀 二氧化硅在集成电路工艺中的应用非常广泛，它可以作为隔离MOSFET的场氧化层，或者是MOSFET的栅氧化层，也可以作为金属间的介电材料，直至作为器件的最后保护层。因此，在集成电路工艺中对SiO2的刻蚀是最为频繁的。在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳（CF4），现在使用比较广泛的气体主要有CHF3、C2F4、SF4，其目的都是用来提供碳原子核和氟原子与SO2进行反应。以CF4为例，当CF4与高能量电子（约10eV以上）碰撞时，就会产生各种离子、原子团、原子和游离基。其中产生氟游离基和CF3分子的电离反应。氟游离基可以与SiO, 和Si 发生化学反应。反应将生成具挥发性的四氟化硅（SiF4)。 CF4+e——CF3 十F(游离基）＋e SiO2+4F——SiF4(气）＋02 Si+4F——SiF4(气） 在ULSI工艺中对SiO2 的干法刻蚀主要是用于刻蚀接触窗口，以MOSFET的接触窗口刻蚀为例。在MOSFET的上方覆盖有SiO2 层（通常是硼磷硅玻璃，简称BPSG), 为了实现金属层与 MOSFET的源／漏极之间的接触，需要刻蚀掉位于 MOSFET源／漏极上方的SiO2。为了使金属与 MOSFET源／漏极能够充分接触，源／漏极上方的SiQ2必须彻底清除。但是在使用CF4等离子体对SiO2进行刻蚀时，等离子体在刻蚀完 SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。因此，在刻蚀硅上的二氧化硅时，必须认真考虑刻蚀的选择性问题。 为了解决这一问题，在CF4 等离子体中通常加人一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。 在使用CF4对硅和二氧化硅进行等离子刻蚀时，如果在CF4的等离子体中加人适量的氧气，氧气也同样被电离。其中，氧原子将与CF4反应生成CO和CO2 , 以及少量的COF2 ,另一方面，氟原子在与SiO2反应的同时，还与CF4原子团（x≤3)结合而消耗掉。在纯CF4等离子体中，由于存在使氟原子消耗的反应，造成氟原子的稳态浓度比较低，所以刻蚀的速度也比较慢。如果加入氧，则氧可与CFx原子团形成COF2 , CO和CO2, 造成CF, 原子团耗尽，从而减少了氟原子的消耗，进而使得CFx等离子体内的氟原子数对碳原子数的比例上升，其结果是氟原子的浓度增加，从而加快SiO2 的刻蚀速度。 对于CF, 刻蚀Si薄膜，也有相同的情况。在CF4刻蚀二氧化硅的过程中，氧的组分大约占20%时刻蚀的速度达到最大值。而使用CF4刻蚀硅，刻蚀速度最大时氧的组分大约占12% 。继续增加氧的组分，刻蚀速度将会下降，而且硅刻蚀速度的下降程度比刻蚀二氧化硅快。对于刻蚀 SiO2而言，氧的组分达到23%之前，刻蚀速度都是增加的，在达到氧组分临界值之后，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度开始下降。另一方面，由干于反应是在薄膜表面进行的，在刻蚀硅的情况下，氧原子倾向于吸附在Si的表面上，这样就部分地阻挡了氟原子加人反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响进一步增加。而在刻蚀二氧化硅时就不存在类似的效应。因为等效地看，SiO2的表面一开始就被氧原子所包围。因此，对硅的刻蚀速度最大时，其氧气的组分要小于刻蚀 SiO2的情况。 如果在CF4等离子体中加人氢，情况就会完全不同。在反应离子刻蚀二氧化硅的过程中，在相当低的气压下加大氢的组分，二氧化硅的刻蚀速度随氢的组分的增加而缓慢减小，这种情况可以持续到氢的组分大约占40%.而对于硅的刻蚀来说，刻蚀速度随氢组分的增加快速下降，当氢的组分大于40%时，对Si的刻蚀将停止。在CF4等离子体中加人氢对刻蚀的影响情况。 我们可以通过CF4等离子体刻蚀Si和SiO2的化学反应机制来解释这一现象。在刻蚀Si的过程中，氟原子与氢原子发生反应，从而使氢原子的浓度下降，这样等离子体中碳的含量升高，刻蚀反应就会被生成高分子聚合物的反应所代替，这就减小了对Si的刻蚀速度。另一方面，CFx(x≤3)原子团也可以与Si反应，生成挥发性的 SiF, 但是反应剩余的碳原子会吸附在Si的表面上，这些碳原子就会妨碍后续反应的进行。对于刻蚀SiO2的情况，氟原子也会与氢原子发生反应，氢原子的浓度下降也使SiO2的刻蚀速度减缓。面与刻蚀Si的情况不同的是，在CFx(x≤3)原子团与SiO2反应生成挥发性的SiF4的同时，CFx(X<3)原子团中的碳原子可以与二氧化硅中的氧原子结合，生成CO, CO2以及COF2气体，因此SiO2刻蚀速度的减缓程度要小于刻蚀Si的情况。在氢浓度超过40%以后，由于大量的氟原子与氢反应，CF4等离子体中的碳浓度开始上升，这也会在二氧化硅的表面形成高分个聚合物，从而使SiO2的刻蚀速度下降。 总的来看，在CF4等离子体中添加其他气体成份可影响等离子体内氟原子与碳原予的比例，简称F/C比。如果F/C比比较高（在CF4等离子体中添加氧气）， 其影响倾向于加快刻蚀。反之，如果F/C比比较低（在CF4等离子体中添加氢气）， 刻蚀过程倾向于形成高分子聚合物薄膜。 根据上述研究，可以通过在CF4等离子体中加人其他气体成份的方法，来解决选择性刻蚀 SiO2/Si的问题。如果CF4等离子体中O2的含量增加，刻蚀 Si 和刻蚀 SiO2的速度都加快，并且Si刻蚀速度的加快程度要大于刻蚀 SiO2的情况。因此，在CF4等离子体中加人O2将导致 SiO2/Si 刻蚀的选择性变差。在CF4等离子体中加人氢气对 SiO2的刻蚀影响不大，但是可以减小对Si的刻蚀速度。这说明在CF4等离子体中加人适量的氢气，将可以加强SiO2/Si刻蚀的选择性。 在当前集成电路工艺的干法刻蚀中，通常使用CHF3等离子体来进行SiO2的刻蚀。有时在刻蚀的过程中还要加人少量的氧气来提高刻蚀的速度。此外，SF6和NF3可以用来做为提供氟原子的气体。因为SF6和NF3中不含碳原子，所以不会在Si的表面形成高分子聚合物薄膜。 三、Si3N4的干法刻蚀 在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种：一种是在二氧化硅层上通过LPCVD 淀积Si3N4薄膜，然后经过光刻和干法刻蚀形成图形，做为接下来氧化或扩散的掩蔽层，但是并不成为器件的组成部分。这类Si3N4薄膜可以使用CF4, CF4(加O2, SF6和NF3)的等离子体刻蚀。另一种是通过 PECVD 淀积Si3N4做为器件保护层，这层 Si3N4 在经过光刻和干法刻蚀之后，氮化硅下面的金属化层露了出来，就形成了器件的压焊点，然后就可以进行测试和封装了。对于这种Si3N4薄膜，使用CF4-O2等离子体或其他含有F原子的气体等离子体进行刻蚀就可以满足要求。 实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀 Si3N4.由于Si-N键的结合能介于Si-0键与 Si-Si键之间，所以氮化硅的刻蚀速度在刻蚀 SiO2和刻蚀Si之间。这样，如果对Si3N4/SiO, 的刻蚀中使用 CF4或是其他含氟原子的气体等离子体，对Si3N4/SiO2的刻蚀选择性将会比较差。如果使用 CHF3等离子体来进行刻蚀，对SiO2/Si的刻蚀选择性可以在10以上，而对Si3N4/Si的选择性则只有3~5左右，对 Si3N4/SiO2的选择性只有2~4左右。 刻蚀速率R是干法刻蚀的主要参数，刻蚀速率低，易于控制，但不适合实际生产要求。对于ULSI制造工艺，要有足够的刻蚀速率，且能重复、稳定的运用于生产中。这一节讨论几个影响刻蚀速率的主要因素。 四、离子能量和入射角 因为溅射刻蚀是利用物理溅射现象来完成的，所以，刻蚀速率由溅射率、离子束人射角和入射流密度决定，溅射率S定义为一个人射离子所能溅射出来的原子数。离子能量达到某一阈值能量以后（大约20 eV), 才能产生溅射，要想得到实用的溅射刻蚀速率，离子能量必须比阙值能量大得多（达几百eV以上）。在刻蚀工艺中离子的能量一般≤2keV, 在这 个能量范围内，大多数材料的溅射率随离子能量的增加单调上升，当离子能量达到一定程度之后，刻蚀速率随能量的增加是缓慢的。对于·ULSI所用的材料，Ar+离子能量为500eV 时，溅射率的典型值为0. 5~1. 5. 离子人射角表示离子射向衬底表面的角度（垂直于表面人射时，), 它是溅射率的敏感函数。当人射角大于零并增大时，衬底原子脱离表面飞出的几率增大，但是当人射角超过某一值时，在表面反射的离子增多，溅射率下降。人射角从零逐渐增加，S值也逐渐增大，在某一角度0-0max时，溅射率达到最大值，随后又逐渐减小，当0=90时，溅射率减小到零，即S=0. 在等离子体刻蚀和反应离子刻蚀中，溅射对刻蚀速率的贡献很小，更重要的是离子与材料表面之间的化学反应。但实验证明，由等离子体产生的中性粒子与固体表面之间的作用将加速反应，这种离子加速反应在许多干法蚀工艺中都起着重要作用。图8. 32是离子加速刻蚀的例子，图中分别给出Ar+和XeF2离子束射向硅表面的情况，每种离子束单独人射时，刻蚀速率都相当低。Ar+离子束是物理溅射刻蚀，XeF2解离为Xe 和两个F原子，然后，F原子自发地和硅反应形成挥发性氟化硅。当450 eV的Ar+离子束和XeF2气体同时人射时，刻蚀速率非常高，大约为两种离子束单独刻蚀速率总和的8倍。 图8. 33 表示的是离子加速反应的另一个例子，图中给出的是有Ar+存在时，CI2与硅的反应。与F原子不同，Cl2不能自发地刻蚀硅，当用450eV的Ar+离子束和Cl2同时射向表面时，硅被刻蚀，而且刻蚀速率比 Ar +溅射的刻蚀速率高得多。由图中可以看到，约轰击220秒时加人CI2气，刻蚀速率发生跃变，这是由于大量氯的存在所引起的。有几种可以解释离子加速反应的机理。① 离子轰击将在衬底表面产生损伤或缺陷，加速了化学反应过程；②离子轰击可直接离解反应剂分子（例如XeF2或Cl2)③离子轰击可以清除表面不挥发的残余物质。对这些机理及它们的相对重要性的研究仍旧是一个重要课题，并有所争论。 在上述的第一种情况中（XeF2十Si), 没有离子轰击时，离解的F原子可自发地刻蚀硅，但刻蚀速率低，在高能离子轰击下，提高了总刻蚀速率；在第二种情况下，没有高能离子轰击，（Cl2+Si)是不发生反应的。我们称前者为离子增强刻蚀；后一种情况称为离子感应刻蚀。 这两个例子说明，离子束刻蚀情况是与物过程有关的，并不是惰性气体离子的化学反应的贡献。在（XeF2十Si)和（Cl2+Si)的加速反应中，若离子能量为1keV时，Ar+, Ne+和He+离子的加速作用依次为Ar+>Ne+>He+。大量的研究结果表明，这些离子的加速作用与动量转移有关。但是，在CF4及其有关气体的等离子体刻蚀中，情况又不一样，这里离子本身就含有反应剂（例如CF3+）。在用XeF2刻蚀Si，并同时进行离子轰击的情况下，若用CF3+代替Ar+进行轰击，其刻蚀速率基本上不发生变化。因此，高能离子通过物理过程可以增强反应过程，与离子的化学反应无关。 对于反应离子刻蚀，等离子体中产生的主要是中性反应物，这些中性反应物先吸附于固体表面，再与表面原子反应，形成的反应物再解析成挥发性物质，整个反应可有等离子体中的高能离子诱发并加速。当然，高能离子提高反应速率的程度取决于所用的气体，材料和工艺参数的选取。 五、气体成份气体成份在等离子体刻蚀或反应离子到蚀中是影响刻蚀速率和选择性的关键因素，表8、1是VLSI制造中常用材料的一些代表性刻蚀气体。由表8.1可见，除了去除光削胶和刻蚀有机质之外，VLSI中主要使用卤素气体。选择气体的主要依据是，在等离子刻蚀温度(室温附近)下，它们是否能和剥蚀材料形成挥发性或准挥发性卤化物，由于含卤气体能相当容易地剂蚀VLSI所用的无机材料，而且工艺危害也很小，所以，卤化毒气体占有主要优势。 在反应刻蚀中，经常使用的是含多种成份的混合气体，这些混合气体由一种主要气体加入一种或几种添加剂组成，添加剂的作用是改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。例如，在刻蚀Si和SiO2时，使用CF4为主的混合气体， 六、气体流速 气体流速决定反应剂的有效供给程度。反应剂的实际需要取决于有效反应物质产生与消耗之间的平衡过程，刻蚀剂损失的主要机制是漂移、扩散、复合以及附着和输运。 在一般工作条件中，气体流速射到蚀邃率R的影响不大，在极端情况下，可以观察到气体液邃的影响，例如，诙邃很小，刻蚀速率受反应剂供给量的限制1相反，当流邃很大时，输运成为反应剂损失的主要原因。是否发生输出损失取决于泵速、气体和反应器内的材料，在一般情况下，活性反应剂的寿命根短，流速的影响不必考虑}当活性剂的寿命较长(例如F原子)时，流速对刻蚀速率R产生影响，由图8.34可见，R-1是流速的线性函数，这与反应剂滞留时间与流速的关系一致，说明在所示的条件下，活性剂的寿命由输运损失决定。 七、温度在反应剥蚀中，M度对刻蚀速率的影响主要是通过化学反应j直率体现的。为获得均匀、重复的刻蚀速率，必须认真控制衬底温度，等离子体加热是衬底温度上升的主要原因；此外，刻蚀过程的放热效应也不可忽视。 八、压力、功率密度和频率 压力、功率密度和频率都是独立的工艺参数，但在实际中，它们各自对刻蚀工艺的影响是难以预计的。压力和频率较低，而功率密度较高，可以提高电子能量和人射离子的能量，增加功率也可提高等离子体中活性剂和离子的密度。因此，在离子加速反应刻蚀中，降低压力或频率，或增加功率密度，可以获得更好的各向异性刻蚀。 一般刻蚀速率单调地随功率而增加。由于外加功率几乎都要转变为热量，因此，在功率密度板高时，样品温度升高，需要考虑衬底散热，否则，会造成有害的影响。 系统压力对到蚀速率的影响，随刻蚀材料及气体的不同而有明显的差异。随着系统压力増加，刻蚀速率增大，选择合适的刻蚀条件可以获得最大的刻恤速率。 频率主要是通过离子能量面影响到蚀速率。放电的工作电压障频率的降低而增加，因而离子的轰击能量在低频下将比高频下的高，又因为刻蚀速率与您轰击能量成正比，所以，在低频下能获得比较高的划蚀速率。 九、负载效应 在反应刻蚀的过程中，刻蚀的速率往往隲刻蚀面积的增大而减小，这种现象称为负载效应。当反应剂与剥蚀材料的反应迅速时，容易产生负戦效应。如果刻蚀是反应剂的主要损失机制，则刻蚀材料的表面积越大，反应剂的消耗速率就越快。活性物质的产生率由工艺参数(例如压力、功率、频率等)决定，与到蚀材料的多少无关、这样，反应刑的平衡浓度可由产生率和损失率之差决定，在反应离子刻蚀的过程中，刻蚀速率只与被刻蚀的面积成反比，刻蚀的速率R随被刻蚀的面积的増大而减小。这说明在一次刻蚀的过程中，需要刻蚀的硅片数目越多，由于反应原子和原子团的消耗，整体的刻蚀速率就越慢。若等离子体中反应刑的寿命很短，负载效应很小就可以忽略，反应剂的损失机构主要由刻蚀消耗所决定。 在集成电路工艺中，负载效应的出现，将影响图形尺寸的精确控制，因为，随着刻蚀到达终点，被腐材料的表面积迅速减小，此时的刻蚀速率就会比正常划蚀速率高得多，不但进行过刻蚀，而且也加速了倒向刻蚀，给条宽的控制造成困难。 从某种意义上说，负载效应是一种宏观过程，反应室中某个硅片的存在将影响另一硅片的刻蚀速率，这就意味着等离子体中反应剂的输运过程非常迅速，以致等离子体中的反应剂并不存在多大的浓度梯度。当然，被多打虫图形的尺寸和密度不同，也会影响刻蚀速率，这可能是由于反应速率不同，引起反应剂的局部浓度梯度而造成的。

随着我国经济的高速发展，半导体行业的发展也在迅速崛起，因此在半导体工业加工的过程中不可避免的会产生含有氟离子，铜离子，磷废水的污染物废水。

含氟离子废水处理：

将废水的p H值调整在6-7左右，再加入的过量的Ca

Cl2和适量的絮凝剂，后续会行形成沉淀，部分污泥循环成为载体，在沉淀池中通过重力沉降能够实现泥水分离。

第一次反应时能够去除80%的氟，再一次加入絮凝剂，氟化钙及其其他形态沉淀，利用污泥泵输送到污泥沉淀池,用板框式脱水机压成泥饼外运，这时候产生的压滤液进入其他的系统进一步处理。

含磷离子废水处理：

含磷废水中磷主要以PO43-为主，采用的方法为化学沉淀法和混凝剂沉降法的组合工艺，通过加入Ca

Cl2生成难溶于水的Ca5(PO4)3OH沉淀。

一级反应池的p H调整到5-6左右，二级反应池p H调整到8.5-9，三级反应池p

H调整到9-9.5(确保完全生成羟基磷酸钙)，此工艺流程比较简单，费用也比较低，对于含磷废水处理有很大的适用性。

与研磨废水进行混合：

将半导体器件制造中产生的电镀废水和研磨废水进行混合，混合废水泵入浸没式膜过滤装置过滤，过滤的水泵入纳滤膜过滤装置过滤，经过纳滤膜过滤装置过滤的水即可直接回用。

以上是小编整理的半导体工业废水的处理方法都有哪些，后期将会关于更多污水处理的相关内容。

硅是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自然界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。硅的原子价主要为4价，其次为2价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。

硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料。

多晶硅材料是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。

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28.09，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。硅(矽)

原子体积:(立方厘米/摩尔)

12.1

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 0.03

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 = 543.09 pm

b = 543.09 pm

c = 543.09 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 90°

莫氏硬度：6.5

声音在其中的传播速率：（m/S）

8433

电离能 (kJ/ mol)

M - M+ 786.5

M+ - M2+ 1577.1

M2+ - M3+ 3231.4

M3+ - M4+ 4355.5

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2.4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27.6％，

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摩擦产生的高温，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99.7~99.8%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 6.5 深灰色、带蓝色调 25.7%

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

28.0855u （计算值)110（111)pm 111pm 210pm [Ne]3s23p2 2，8，4 4（两性的） 金刚石晶格

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） 12.06×10-6m3/mol 384.22 kJ/mol 50.55 kJ/mol 4.77 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

1.90（鲍林标度） 700 J/(kg·K) 2.52×10-4 /(米欧姆) 148 W/(m·K) 786.5 kJ/mol 1577.1 kJ/mol 3231.6 kJ/mol 4355.5kJ/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 92.23% 稳定

29Si 4.67% 稳定

30Si 3.10% 稳定

32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P

29Si

核自旋 1/2

元素名称：硅

元素原子量：28.09

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2.32-2.34克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151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16.7%。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27.72％，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（ *** ）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。

[编辑本段]缺乏症

饲料中缺少硅可使动物生长迟缓。动物试验结果显示，喂饲致动脉硬化饮料的同时补充硅，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中硅含量与人和动物粥样硬化程度呈反比。在心血管疾病长期发病率相差两部的人群中，其饮用水中硅的含量也相差约两倍，饮用水硅含量高的人群患病较少。并且他已知的危险因素都不能充分解释这种不同

常用方程式

Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2↑

SiO2 + 2OH- == SiO32- + H2O

SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4↓ + 2NH3↑

SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4↓+ CO32-

SiO32- + 2H+ + H2O == H4SiO4↓

3SiO32- + 2Fe3+ == Fe2(SiO3)3↓

3SiO32- + 2Al3+ == Al2(SiO3)3↓

单晶硅 中文别名：硅单晶

英文名： Monocrystalline silicon

分子式： Si

分子量：28.086

CAS 号：7440-21-3

硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始，硅材料就取代了原有锗材料。硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。

硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。

单晶硅熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。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。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。

用途： 是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等

多晶硅 多晶硅polycrystalline silicon

性质：灰色金属光泽。密度2.32~2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

参考这里：

http://baike.baidu.com/view/4748.htm?func=retitle

http://baike.baidu.com/view/174762.htm

http://baike.baidu.com/view/381366.htm?func=retitle

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