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电子信息材料之单晶硅


实验室k / 2018-12-26

       20世纪中叶以后发展起来的信息技术,在60年间的迅速发展,已经成为影响国计民生最大的高新技术,成为科技发展的先导。

       电子信息技术是以微电子技术为基础的计算机技术与通信技术的综合,它涉及信息的产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等方面。这些技术赖以发展的基础核心物质,需要化学家的研制。先以单晶硅为例说明。

       单晶硅是计算机技术的基础物质,它决定着集成电路的生产水平,是信息产业技术的核心材料。

       硅在地壳中的含量极为丰富,仅次于氧,居所有元素的第二位。硅的一般存在形式是硅石和硅酸盐,它构成岩石、沙子和泥土的主要成分。自然界中硅很少以单质的硅形态存在。

       化学家将自然界中大量存在的石英,即二氧化硅(SiO2,又称硅石),选出较纯净的晶态矿石或沙子,用高纯焦炭通过下面的化学反应,制得纯度为95%以上的单质硅。

 

 

为了提纯这种单质硅,先将它和氯化氢(HCl)反应,成为气相化合物SiHCl3:

 

 

将SiHCl3和杂质分离,使它成为纯度很高的SiHCl3。再按这个反应的逆反应,用高纯氢气还原,得到纯度为6个9(即99.9999%)以上的高纯硅。硅的熔点是1420℃。

       将上述所得的高纯硅在纯净的高真空或高纯氬气体条件下,在高纯度石英坩锅中熔融,再按提拉法让晶体从融熔体中逐渐长大成大块单晶硅。因它的外形呈圆柱形,称为圆柱形硅柱。图5.4.1示出直径达300mm,长度约1400mm的硅柱。


       将硅柱切成薄片,厚度一般为0.3mm,称为空白圆晶。在这硅片基础上,一般经过氧化、光刻、扩散等程序制成集成电路。

       首先是氧化工艺,即在硅片表面氧化出一薄层二氧化硅,作为绝缘层和阻挡层;其次用类似照相技术的光刻工艺,按特定设计要求刻出没有二氧化硅的“窗口”;第三,利用扩散法或离子注入法进行掺杂,由于二氧化硅薄层的存在,杂质只能从窗口掺入;第四,为了在芯片上制造出各种元件,要反复利用上述方法,掺进不同杂质,做出不同性质的元件和导线。现在利用0.3μm的线宽工艺可在1×2cm2芯片上集成出1.4亿个元件。目前线宽逐渐变窄,从90nm在线生产,到45nm工艺研究成功。另外,单晶硅圆片的直径越大,在一个圆片上集成所得元件越多,所得的电脑硬件处理器的性能大为提高,成本也大为降低。

       要使电脑的功能提高,单晶硅的生产是重要关键,各国化学家们都在不断地研究超纯硅的制造,以及直径达400-500mm圆柱形硅柱的制造。


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