硅的物理性质

硅有晶态和无定形态两种同素异形体。硅晶体是原子晶体，硬而脆，是深灰色而带有金属光泽的晶体，熔点为1 414℃，沸点为2 355℃，密度为32～34g/cm3，比热为0．7J/（g·k），莫氏硬度为7。硅晶体形成过程是硅原子中的价电子进行杂化，形成4个sp3杂化轨道，相邻硅原子的杂化轨道相互重叠，以共价键结合（见图2－2），形成硅晶体。

硅单质即本征态是半导体，它的电阻率达到2．3×105Ω·cm以上，几乎不导电，然而硅对热、光、磁的作用很敏感，它的电阻率会迅速降低，而载流子浓度迅速增多，人们利用这个特点制成电子元件。硅晶体的共价键中电子在正常情况下是束缚在成键两原子周围，它们不会参与导电，因此在绝对温度零度（T＝0K）和无外界激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。

硅处于原子序数14号位置，属于Ⅳ族元素外层价电子数位4个，与其他元素化合时特征价态为4价。当在硅中加入Ⅴ族元素后（外层有5个价电子），该原子会替代硅原子，并贡献出4个价电子与周围的硅原子形成共价键结合，剩余的1个价电子（带负电）因少受约束而成为自由电子，它会参与导电，称为电子导电；当在硅中加入Ⅲ族元素后（外层只有3个价电子），该原子会替代硅原子并贡献出3个价电子与周围的硅原子形成共价键，因为少1个价电子，产生一个硅的悬挂键，形成一个空穴（带正电），邻近的电子过来增补，又在邻近处形成一个新的空穴，相当于空穴在运动，参与导电，称为空穴导电，如图2－3所示。

图2－2　硅晶体的共价键

图2－3　硅晶体中的自由电子和空穴

硅在室温下的禁带宽度为1．11eV，光吸收处于红外波段。人们利用超纯硅对1～7μm红外光透过率高达90%～95%这一特点制作红外聚焦透镜。半导体硅材料是间接带隙材料，其发光效率极其低下，为10－3左右，不能做激光器和发光管；它又没有线性电光效应，不能做调制器和开关。因此，一般认为硅材料不是光电子材料，不能应用在光电子领域。但用分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等技术在硅衬底上生长SiGe/Si应变超晶格量子阱材料，可形成准直接带隙材料，并具有线性电光效应。此外，在硅衬底上异质外延GaAs或InP单晶薄膜，可构成复合发光材料。

室温下硅无延展性，属脆性材料，但在温度高于700℃时的硅具有热塑性，在应力作用下会呈现塑性形变，其内部存在的位错才开始移动或攀移。而常温时，在外力作用下，单晶硅中很难产生位错和进行位错的移动。硅的抗拉应力远大于抗剪应力，在切割、研磨和机械抛光等时因承受剪切应力而易于产生破碎。同样硅片也要经历不同的热处理过程，这必然会在硅片中产生热应力，使硅片产生翘曲，光刻图形套刻的精度下降；并加速位错滑移，产生各类结构缺陷，甚至使硅片破裂。而随着IC用硅片直径的不断增大，上述情况将更趋严重。同时，硅片背损伤吸杂也在生产中经常使用，由此产生的后果是硅片本身就具有微裂纹，易于脆断或自然解理断裂，影响下一步加工处理。再者，硅材料和器件的机械可靠性也是器件制造和使用中所关注的问题。微机械加工的硅器件可能会处于复杂的应力状态，从而使其断裂或性能失效。

尽管半导体材料的（事实上是任何固体的）理论解理强度从未被达到过，但计算理论解理强度的一个相当简单的模型，为我们了解影响断裂韧性的材料参数提供了机会。半导体材料的所有断裂特性中，最为我们了解的就是解理面和解理方向了，这在很大程度上归因于解理是快速有效地从硅片上划分电路的方法。单晶硅的断裂一般是沿着其解理面的，通常的断裂面为｛111｝面，但由于单晶表面的起始裂纹不同，断裂形式也不尽相同。同一单晶制成的硅片，由于加工方式不同，表面损伤程度不同，断裂强度不同，一般而言，表面损伤越小，断裂强度越大。杂质原子的存在会影响到半导体材料的断裂行为。在一定的直径下，硅片越厚，则越不容易产生变形。这是因为硅片厚度越大，它所具有的热容量也越大，从而使硅片上所产生的温度梯度变小，温度分布更趋于均匀一致。显而易见，如果是一个很厚的单晶锭，要使它产生翘曲，是很不容易也几乎是不可能的。所以在工业上，为了防止硅片翘曲，有时会采取增加硅片厚度的办法。但这种方法的缺点是会产生很大的浪费，使相同长度的硅单晶锭所切的硅片数量大大减少，这对生产来讲是不可取的。但是，随着硅片直径的不断增加，在硅片的机械强度不能大幅度提高的情况下，为了防止翅曲，只能采用增加硅片厚度的方法。