硅及其化合物在信息技術(shù)、材料

科學(xué)等領(lǐng)域的作用硅是自然界中分布很廣的一種元素，它具有高熔點、高沸點、強硬度的特點。由于它的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因此是良好的半導(dǎo)體材料。硅作為半導(dǎo)體基礎(chǔ)原料，無論在過去、現(xiàn)在還是未來的電子與科技發(fā)展中，都曾經(jīng)、正在并且也必將發(fā)揮著越來越重要的基礎(chǔ)作用，特別是當今IT業(yè)的飛速發(fā)展，為傳統(tǒng)的硅原料的生產(chǎn)與供應(yīng)提出了更大、更高的要求，這就是高純和超純硅原料的生產(chǎn)與供應(yīng)。硅原料的種類繁多，廣泛用于工業(yè)當中。硅、水晶、石英原料天然硅料玻璃硅料-天然硅石-玻璃原料-花園硅料-鉀鈉長石-鑄造用沙高純硅料熔融硅料-精細硅沙-熔融石英塊-精細硅微粉-熔融硅微粉-高純硅沙-納米級熔融硅微粉-超純硅沙硅鐵金屬硅-硅鐵粉-非標金屬硅-標準硅鐵-標準金屬硅化學(xué)硅料碳化硅-消光粉-天然金剛砂-白碳黑-黑碳化硅-水玻璃-綠碳化硅-一氧化硅粉-棕剛玉-亞白剛玉

合成水晶原料合成云母-合成硅料-合成云母碎-合成水晶粉-合成云母粉-合成云母紙-合成云母帶硅的用途十分廣泛，這從多樣化的硅制品即可看出。硅、石英、水晶制品石英拉管石英拉棒-透明石英管-透明石英棒-乳白石英管-乳白石英棒石英片石英制品-熔融石英片-合成光纖硅料-合成石英片-半導(dǎo)體硅-特種密封圈水晶工藝品-日本Hoya-捷克BCT-捷克Eqermann非金屬礦產(chǎn)品高齡土滑石粉重晶石鉀鈉長石云母粉磷礦石硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體材料中98%是硅，半導(dǎo)體硅工業(yè)產(chǎn)品包括多晶硅、單晶硅（直拉和區(qū)熔）、外延片和非晶硅等。其中，直拉硅單晶廣泛應(yīng)用于集成電路和中小功率器件。區(qū)域熔單晶目前主要用于大功率半導(dǎo)體器件，比如整流二極管，硅可控整流器，大功率晶體管等。單晶硅和多晶硅應(yīng)用最廣。硅合金的用途十分廣泛。例如含硅4%（質(zhì)量分數(shù)）的鋼具有良好的導(dǎo)磁性，可用來制造變壓器鐵芯；含硅15%（質(zhì)量分數(shù)）左右的鋼具有良好的耐酸性，可用來制造耐酸設(shè)備等。

二氧化硅作為硅原料的核心原料在硅原料的生產(chǎn)與供應(yīng)中起著不可替代的重要基礎(chǔ)作用。它所具有的獨特的物理、化學(xué)特性，使得其在航空、航天、電子、機械以及當今飛速發(fā)展的IT產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，特別是其內(nèi)在分子鏈結(jié)構(gòu)、晶體形狀和晶格變化規(guī)律，使其具有的耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕、壓電效應(yīng)、諧振效應(yīng)以及其獨特的光學(xué)特性，使得其在許多高科技產(chǎn)品中發(fā)揮著越來越重要的作用，如，IT行業(yè)的核心技術(shù)產(chǎn)品一一計算機芯片，光導(dǎo)纖維，電子產(chǎn)業(yè)的諧振器，新型電光源，高絕緣的封接材料，航空航天儀器，軍工技術(shù)產(chǎn)品，特種光學(xué)玻璃，化學(xué)分析儀器等等，都離不開這些基礎(chǔ)原料。硅及其化合物在傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)中的應(yīng)用由于與我們的生活息息相關(guān)，而為人們所熟知，譬如水泥、玻璃、陶瓷等，當然也有一些是新型無機非金屬材料，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維等。而如今，隨著科技的高速發(fā)展，硅及其化合物也越來越多地應(yīng)用在前沿科學(xué)領(lǐng)域。最新硅、石英、水晶原料及技術(shù)超純硅料-超純硅料-結(jié)晶型超純硅沙-合成超純硅沙玻璃微珠超細硅料-結(jié)晶型硅微粉-熔融型硅微粉納米技術(shù)與硅工業(yè)納米技術(shù)是20世紀90年代末興起的材料科學(xué)新技術(shù)，對當今原料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)產(chǎn)品的升級換代以及人們?nèi)粘Ｉ畹母淖兌季哂袕V泛、普遍而深遠的意義。而如今，硅在納米技術(shù)應(yīng)用上的作用是不容忽視的，納米技術(shù)的誕生實現(xiàn)了超細硅原料的革命性發(fā)展。1、納米技術(shù)在玻璃工業(yè)上與硅及其化合物結(jié)合的應(yīng)用主要工藝原理是在玻璃上鍍制一層納米TiO2光催化薄膜，它透明而具有親水性并有許多獨特的功能。目前，主要應(yīng)用在：“納米自潔凈玻璃NanometerSelf-CleaningGlass”、“納米自潔凈鋼化玻璃工業(yè)NanometerSelf-CleaningToughedGlass"、“納米自潔凈夾層玻璃工業(yè)NanometerSelf-CleaningLaminatedGlass”等工業(yè)領(lǐng)域。這種光催化活性玻璃吸收陽光中的紫外線和可見光，逐漸破壞玻璃表面上沉積的油污。親水性TiO2膜層降低玻璃的表面漲力，雨水面流而下，不留雨點痕跡。由親水性形成的雨水面流效應(yīng)和由光催化活性而來的分解油污效應(yīng)共同形成光催化活性玻璃的自潔凈現(xiàn)象。納米自潔凈玻璃另一個誘人的特點是它近乎完美的光學(xué)性質(zhì)。在近紫外和近紅外波段具有很低的透過率，而在可見區(qū)卻有很高的透過率。這正是窗玻璃所應(yīng)有的理想光譜，可同時作為陽光屏壁玻璃和低輻射玻璃使用。2、納米技術(shù)在建材工業(yè)上與硅及其化合物結(jié)合的應(yīng)用主要工藝原理是在材料或產(chǎn)品表面鍍一層納米材料，使它具有了新的特性，從而產(chǎn)生前所未有的功效。目前主要應(yīng)用的產(chǎn)品有：“納米活性瓷磚NanometerSelf-CleaningActiveTile”、“納米涂料NanometerCoatingMaterials"以及“納米油漆NanometerPaintingIndustry"等工業(yè)領(lǐng)域。3、納米技術(shù)在日用品工業(yè)上與硅及其化合物結(jié)合的應(yīng)用主要工藝原理是在人們?nèi)沼闷飞襄円粚蛹{米材料，從而使得這些產(chǎn)品在保持原有功能不被改變的同時，具有殺毒、除味等功效。目前主要的產(chǎn)品有：“納米陶瓷自消毒餐具NanometerSelf-DesinfectCeramicTableware”、“納米活性陶瓷冰箱除味碟NanometerSelf-CleaningActiveCeramicPlate-odorinhibitorinrefrigerator”、“納米親水性車用后視鏡NanometerSelf-CleaningRearviewMirror”等。與上面這樣相對成熟一些的技術(shù)相比，硅在我國正處于研究階段的一些科技領(lǐng)域中的重要作用就顯得更為新鮮，更為科學(xué)界所矚目。一、超大規(guī)模集成電路用硅單晶材料的制備和缺陷工程的研究人類經(jīng)歷了石器時代，銅器時代和鐵器時代，在本世紀的六十年代進入了硅時代。在硅材料基礎(chǔ)上微電子工業(yè)的崛起，對本世紀世界經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展起了決定性的作用。在人類跨入21世紀的時候，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展依舊很快，并仍然按照摩爾（Moore）定律發(fā)展，目前，國際微電子工業(yè)已進入深亞微米時代，主流硅晶片的直徑是200毫米，特征線寬是0.18微米，生產(chǎn)著256M的DRAM。微電子已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在國家經(jīng)濟、國防和科技的現(xiàn)代化上起著舉足輕重的作用。毫無疑問，硅材料是微電子的基礎(chǔ)材料，在過去的四十年，硅材料的發(fā)展直接促進了集成電路和整個微電子產(chǎn)業(yè)的進步。國際半導(dǎo)體材料專家們共同認為，在本世紀前20－50年，硅材料作為微電子的基礎(chǔ)材料是不會改變的。在經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的推動下，超大規(guī)模集成電路將“更快、更好、更便宜”，技術(shù)特征上將出現(xiàn)“硅片直徑更大，特征線寬更小”。深亞微米集成電路的超速發(fā)展對硅材料的科學(xué)研究和技術(shù)進步提出了新的挑戰(zhàn)，它要求硅單晶材料“大直徑、無缺陷”。集成電路和硅單晶材料的大直徑化的根本動力在于經(jīng)濟成本，國際市場競爭激烈，雖然從200毫米到300毫米的轉(zhuǎn)變，整個工業(yè)界需要花費150-500億美圓，但直徑的增加，可以使每一硅片上的芯片數(shù)增加2.5倍，整體成本可以降低20-30%，因此，硅單晶材料的大直徑研制和發(fā)展是必然的。隨著線寬的變小，在早期不成嚴重問題的微缺陷問題更加突現(xiàn)，如200毫米硅材料中出現(xiàn)的void微缺陷的尺寸在100納米左右，對集成電路已形成致命的影響。實際上，當單個缺陷的尺寸達到最小特征線寬的二分之一或三分之一時，將導(dǎo)致線路的失效。因此，硅材料的發(fā)展，在今后20年中，其技術(shù)特征是大直徑化，其關(guān)鍵的問題則是：晶體的完整性。這完整性包括三方面，一是晶體生長中體材料的晶格完整，無缺陷。二是晶體加工過程中表面的完整性。三是器件制造過程中，器件有源區(qū)的晶格完整性。中國國家硅實驗室從50年代初就開始半導(dǎo)體硅材料研究，至今已取得了一系列重要成果。在硅單晶生長技術(shù)，探測器級高純硅單晶，硅單晶中碳、氧的控制，以及硅單晶的電學(xué)測量等方面取得過重大成果，并在國際上首創(chuàng)了減壓充氮硅單晶生長技術(shù)。目前實驗室的主要研究方向為8－12英寸超大規(guī)模集成電路用硅單晶的制備、加工和缺陷工程。目的是在揭示8-12英寸超（特）大規(guī)模硅集成電路（ULSI）用硅材料中輕元素雜質(zhì)、缺陷性質(zhì)、相互作用規(guī)律，以及它們在熱處理工藝中的演變，和對材料電學(xué)和力學(xué)性能的作用的基礎(chǔ)上，利用缺陷工程，減少或消除對超（特）大規(guī)模硅集成電路（ULSI）用硅材料的缺陷，提咼和優(yōu)化材料性能，為超（特）大規(guī)模硅集成電路（ULSI）的設(shè)計和制備提供理論依據(jù)和優(yōu)質(zhì)硅材料。二、硅基光子晶體的研究從真空管到超大規(guī)模集成電路，人類跨出了巨大的一步、半個世紀以來，電子器件的迅猛發(fā)展使其廣泛應(yīng)用于生活和工作的各個領(lǐng)域，它尤其促進了通訊和計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，進一步小型化以及在減小能耗下提咼運作速度，幾乎是一種挑戰(zhàn)、由于電子器件是基于電子在物質(zhì)中的運動，在納米區(qū)域內(nèi)，量子和熱的波動使它的運作變得不可靠了，人們感到了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極限。由于光子是以光速運動的粒子，以光子為載體的光子器件有比電子器件咼得多的運行速度，光子在電介質(zhì)傳播每秒可以攜帶更多的信息，其傳輸帶寬要遠大于金屬導(dǎo)線，并且光子受到的相互作用遠小于電子，因而光子器件的能量損耗小、效率高。人們轉(zhuǎn)而把目光投向了光子，提出了用光子作為信息裁體代替電子的設(shè)想。類似于電子產(chǎn)業(yè)中的半導(dǎo)體材料，光子產(chǎn)業(yè)中也存在著一種基礎(chǔ)材料——光子晶體(PhotonicCrystals)。光子晶體(PhotonicCrystals)是由具有不同介電常數(shù)(折射率)的材料按照某種空間有序排列的周期可與光波長相比的人工微結(jié)構(gòu)。介電函數(shù)的周期性變化能夠調(diào)制材料中光子的狀態(tài)模式，使光子帶隙出現(xiàn)，當光的頻率位于光子帶隙范圍內(nèi)，它將不能在光子晶體中的任何方向傳播。因此，光子晶體也常稱為光子帶隙材料(PhtonicBandGapMaterials)。光子晶體將成為光電集成、光子集成、光通訊的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料，所以光子晶體又成為“光學(xué)半導(dǎo)體”。它廣闊的應(yīng)用前景使光子晶體成為當今世界范圍的一個研究熱點，得到了迅速的發(fā)展。硅材料是現(xiàn)代集成電路工業(yè)的基礎(chǔ)性材料，是人類制備工藝最成熟、研究最深入、了解最清楚的材料之一。硅的折射率較高(在波長為l.lym時n=3.53),滿足完全光子帶隙的光子晶體的要求，且硅對通信領(lǐng)域所采用的兩個波長1.3pm和1.55pm來說是透明的，所以硅材料是制備光子晶體的良好材料。近幾年，硅基光電集成取得了一些突破，研究硅基光子晶體，將大大促進硅基光電集成、全光集成技術(shù)的發(fā)展。目前的研究方向為硅基光子晶體和二氧化硅蛋白石光子晶體的制備和性質(zhì)，研究采用自組裝方法獲得的蛋白石膠體晶體為模板，制備硅的反蛋白石結(jié)構(gòu)，理論計算表明三維周期結(jié)構(gòu)只具有贗光子帶隙，這種由數(shù)百納米的單分散二氧化硅小球自組裝面心密排堆積而成的反蛋白石結(jié)構(gòu)具有完全的光子帶隙。三、鑄造多晶硅及其它光電轉(zhuǎn)換材料現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面加大對能源的需求，引發(fā)能源危機；另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳氣體，導(dǎo)致全球性的“溫室效應(yīng)”。為此各國力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源。作為最理想的可再生能源，太陽能具有“取之不盡，用之不竭”的特點，而利用太陽能發(fā)電具有環(huán)保等優(yōu)點，而且不必考慮其安全性問題。所以太陽能的利用在發(fā)達國家得到了高度重視，歐洲聯(lián)盟國家計劃在2010年實現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的電力占所有總電力的1.5％這一目標，與此同時，美國也啟動了“百萬屋頂”的計劃。在能源短缺，環(huán)境保護問題日益嚴重的我國，低成本高效率地利用太陽能也顯得尤為重要。太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽電池簡單裝置如圖1所示。當N型和P型兩種不同型號的半導(dǎo)體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。當光照在太陽電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場的作用下分離開，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負載提供電流。從本世紀70年代中期開始了地面用太陽電池商品化以來，晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位，而且可以確信這種狀況在今后20年中不會發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括：單晶硅太陽電池，鑄造多晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好的特性，但是其成本較高；而非晶硅太陽電池生產(chǎn)效率高、成本低廉，但是轉(zhuǎn)換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽能電池穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換效率均佳，性能價格比最高；薄膜晶體硅太陽能電池現(xiàn)在還只是處于研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代了直拉單晶硅而成為最主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池。材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷、材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因。因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜、鈍化工藝是進一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。另外，尋找適合鑄造多晶硅表面織構(gòu)化的濕化學(xué)腐蝕方法也是目前低成本制備高效率電池的重要工藝。從固體物理學(xué)上講，硅材料并不是最理想的光伏材料，這主要是因為硅是間接能帶半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)較低，所以研究其他光伏材料成為一種趨勢。其中，碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認識是兩種非常有前途的光伏材料，而且目前已經(jīng)取得一定的進展，但是達到大規(guī)模生產(chǎn)，并與晶體硅太陽電池抗衡研究人員仍需要大量的工作去做。中國國家硅實驗室的研究方向主要集中在對太陽能用直拉硅單晶和鑄造多晶硅中雜質(zhì)和缺陷規(guī)律的研究，表面絨面的制備和性質(zhì)，SiNx減反射和鈍化膜的制備以及碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe?)等化合物太陽能電池材料的制備。四、一維納米半導(dǎo)體材料的研究納米材料特別是納米半導(dǎo)體材料研究是目前材料學(xué)研究的一個熱點，被公認為是21世紀最有前途的學(xué)科之一。歐盟委員會最近的調(diào)查認為納米技術(shù)在10年后有可能成為僅次于計算機芯片制造的第二大制造業(yè)，科學(xué)家們認為，納米技術(shù)的深遠意義可與18世紀的工業(yè)革命相媲美。如果說微電子技術(shù)推動了信息技術(shù)的高度發(fā)展，那么納米光電子技術(shù)將在信息時代的下一階段占據(jù)中心地位，并將發(fā)揮革命性的作用。而在半導(dǎo)體材料中，半導(dǎo)體硅是一種非常重要的微電子材料，由于它的光電性能已經(jīng)在微電子器件各個方面有了廣泛的應(yīng)用，對于它的研究也已經(jīng)廣泛而深刻。但是當硅的尺寸到了納米級以后，由于量子限域效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等作用，它在光電方面、機械方面表現(xiàn)出與常規(guī)硅材料不同的優(yōu)異性能。因此，一維納米硅材料以及其它一維納米半導(dǎo)體材料將在場發(fā)射、掃描電鏡探頭、發(fā)光器件、單電子晶體管、可轉(zhuǎn)換電池電極以及MOS器件等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。中國國家硅實驗室采用低溫氣相沉積法、電化學(xué)和化學(xué)方法研究和制備一維納米半導(dǎo)體材料。實驗室在高溫高壓條件下或運用陣列化氧化鋁模板作為襯底，生長出符合半導(dǎo)體器件要求的陣列化可控納米硅絲（硅管）以及CdS,ZnO,SiO2等其它一維納米絲——其長度、直徑和生長方向可以簡單的調(diào)節(jié)，同時，研究一維納米半導(dǎo)體材料的生長機理、Raman位移和PL光譜等性能。對于它們的結(jié)晶性能的改善、摻雜、I-V特性、光波導(dǎo)以及P-N結(jié)二極管特性方面實驗室也進行了一定的研究和探討。五、硅材料新型高效燃料電池的研制NeahPowerSystems公司聲稱，該公司成功研制出一種新型燃料電池，由于在這種燃料電池中采用硅材料使其效率明顯提高，同時使電池的生產(chǎn)工藝得到簡化。新型燃料電池應(yīng)在2005年上市。現(xiàn)有的燃料電池是由于甲醇與氧氣的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生電能，試劑的混合發(fā)生在聚合膜片上，甲醇在聚合膜片上被分解，同時形成電子。反