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1、硅及其化合物在信息技术、材料科学等领域的作用硅是自然界中分布很广的一种元素，它具有高熔点、高沸点、强硬度的特点。 由于它的导电性介于导体和绝缘体之间，因此是良好的半导体材料。硅作为半导 体基础原料，无论在过去、现在还是未来的电子与科技发展中，都曾经、正在并 且也必将发挥着越来越重要的基础作用，特别是当今 IT 业的飞速发展，为传统 的硅原料的生产与供应提出了更大、更高的要求，这就是高纯和超纯硅原料的生 产与供应。硅原料的种类繁多，广泛用于工业当中。硅、水晶、石英原料天然硅料玻璃硅料-天然硅石-玻璃原料-花园硅料-钾钠长石-铸造用沙高纯硅料熔融硅料-精细硅沙-熔融石英块-精细硅微粉-熔融硅微粉-
2、高纯硅沙-纳米级熔融硅微粉-超纯硅沙硅铁金属硅-硅铁粉-非标金属硅-标准硅铁-标准金属硅化学硅料碳化硅-消光粉-天然金刚砂-白碳黑-黑碳化硅-水玻璃-绿碳化硅-一氧化硅粉-棕刚玉-亚白刚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-合成云母纸-合成云母带硅的用途十分广泛，这从多样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-合成光纤硅料-合成石英片-半导体硅-特种密封圈水晶工艺品-日本 Hoya-捷克 BCT-捷克 Eqermann非金属矿产品高龄土滑石粉重晶石钾钠长石云母粉磷矿石硅是集
3、成电路产业的基础，半导体材料中 98%是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等。其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。硅合金的用途十分广泛。例如含硅 4%（质量分数）的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器铁芯；含硅 15%（质量分数）左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设备等。二氧化硅作为硅原料的核心原料在硅原料的生产与供应中起着不可替代的 重要基础作用。它所具有的独特的物理、化学特性，使得其在航空、航天、电子、 机械以及当今飞速发展的
4、IT 产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链 结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、 耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，使得其在许多高科技产品 中发挥着越来越重要的作用，如，IT行业的核心技术产品一一计算机芯片，光 导纤维，电子产业的谐振器，新型电光源，高绝缘的封接材料，航空航天仪器， 军工技术产品，特种光学玻璃，化学分析仪器等等，都离不开这些基础原料。硅及其化合物在传统的硅酸盐工业中的应用由于与我们的生活息息相关，而 为人们所熟知，譬如水泥、玻璃、陶瓷等，当然也有一些是新型无机非金属材料， 如高温结构陶瓷、光导纤维等。而如今，随着科技的高
5、速发展，硅及其化合物也 越来越多地应用在前沿科学领域。最新硅、石英、水晶原料及技术超纯硅料 -结晶型超纯硅沙 -合成超纯硅沙 玻璃微珠超细硅料-结晶型硅微粉-熔融型硅微粉 纳米技术与硅工业纳米技术是20世纪90年代末兴起的材料科学新技术，对当今原料科学技术 的发展、工业产品的升级换代以及人们日常生活的改变都具有广泛、普遍而深远 的意义。而如今，硅在纳米技术应用上的作用是不容忽视的，纳米技术的诞生实 现了超细硅原料的革命性发展。1、纳米技术在玻璃工业上与硅及其化合物结合的应用主要工艺原理是在玻璃上镀制一层纳米 TiO2 光催化薄膜，它透明而具有亲 水性并有许多独特的功能。目前，主要应用在： “纳
6、米自洁净玻璃 Nanometer Self-Cleaning Glass ”、“ 纳米自 洁净 钢化玻璃 工业 Nanometer Self-Cleaning Toughed Glass、“纳米自洁净夹层玻璃工业 Nanometer Self-Cleaning Laminated Glass ”等工业领域。这种光催化活性玻璃吸收阳光中的紫外线和可见光，逐渐 破坏玻璃表面上沉积的油污。亲水性 TiO2 膜层降低玻璃的表面涨力，雨水面流 而下，不留雨点痕迹。由亲水性形成的雨水面流效应和由光催化活性而来的分解 油污效应共同形成光催化活性玻璃的自洁净现象。纳米自洁净玻璃另一个诱人的 特点是它近乎完美的
7、光学性质。在近紫外和近红外波段具有很低的透过率，而在 可见区却有很高的透过率。这正是窗玻璃所应有的理想光谱，可同时作为阳光屏 壁玻璃和低辐射玻璃使用。2、纳米技术在建材工业上与硅及其化合物结合的应用主要工艺原理是在材料或产品表面镀一层纳米材料，使它具有了新的特性， 从而产生前所未有的功效。目前主要应用的产品有：“纳米活性瓷砖 Nanometer Self-Cleaning Active Tile ”、纳米涂料 Nanometer Coating Materials 以及纳米 油漆 Nanometer Painting Industry 等工业领域。3、纳米技术在日用品工业上与硅及其化合物结合的
8、应用主要工艺原理是在人们日用品上镀一层纳米材料，从而使得这些产品在保持 原有功能不被改变的同时，具有杀毒、除味等功效。目前主要的产品有：“纳米 陶瓷自消毒餐具Nanometer Self-Desinfect Ceramic Tableware”、“纳米活性陶瓷冰 箱 除 味 碟 Nanometer Self-Cleaning Active Ceramic Plate-odor inhibitor in refrigerator”、“纳米亲水性车用后视镜 Nanometer Self-Cleaning Rearview Mirror” 等。与上面这样相对成熟一些的技术相比，硅在我国正处于研究阶段
9、的一些科技 领域中的重要作用就显得更为新鲜，更为科学界所瞩目。 一、超大规模集成电路用硅单晶材料的制备和缺陷工程的研究人类经历了石器时代，铜器时代和铁器时代，在本世纪的六十年代进入了硅 时代。在硅材料基础上微电子工业的崛起，对本世纪世界经济和科技的高速发展 起了决定性的作用。在人类跨入21 世纪的时候，超大规模集成电路的发展依旧 很快，并仍然按照摩尔（Moore ）定律发展，目前，国际微电子工业已进入深亚 微米时代，主流硅晶片的直径是200毫米，特征线宽是0.18微米，生产着256M 的DRAM。微电子已成为国民经济的支柱产业，在国家经济、国防和科技的现 代化上起着举足轻重的作用。毫无疑问，硅
10、材料是微电子的基础材料，在过去的四十年，硅材料的发展直 接促进了集成电路和整个微电子产业的进步。国际半导体材料专家们共同认为， 在本世纪前 2050 年，硅材料作为微电子的基础材料是不会改变的。在经济和 技术发展的推动下，超大规模集成电路将“更快、更好、更便宜”，技术特征上将 出现“硅片直径更大，特征线宽更小”。深亚微米集成电路的超速发展对硅材料的 科学研究和技术进步提出了新的挑战，它要求硅单晶材料“大直径、无缺陷”。集成电路和硅单晶材料的大直径化的根本动力在于经济成本，国际市场竞争 激烈，虽然从 200 毫米到 300 毫米的转变，整个工业界需要花费 150-500亿美圆， 但直径的增加，可
11、以使每一硅片上的芯片数增加 2.5 倍，整体成本可以降低 20-30%，因此，硅单晶材料的大直径研制和发展是必然的。随着线宽的变小，在早期不成严重问题的微缺陷问题更加突现，如 200 毫米 硅材料中出现的 void 微缺陷的尺寸在 100 纳米左右，对集成电路已形成致命的 影响。实际上，当单个缺陷的尺寸达到最小特征线宽的二分之一或三分之一时， 将导致线路的失效。因此，硅材料的发展，在今后20 年中，其技术特征是大直 径化，其关键的问题则是：晶体的完整性。这完整性包括三方面，一是晶体生长 中体材料的晶格完整，无缺陷。二是晶体加工过程中表面的完整性。三是器件制 造过程中，器件有源区的晶格完整性。中
12、国国家硅实验室从50 年代初就开始半导体硅材料研究，至今已取得了一 系列重要成果。在硅单晶生长技术，探测器级高纯硅单晶，硅单晶中碳、氧的控 制，以及硅单晶的电学测量等方面取得过重大成果，并在国际上首创了减压充氮 硅单晶生长技术。目前实验室的主要研究方向为 812 英寸超大规模集成电路用硅单晶的制 备、加工和缺陷工程。目的是在揭示8-12英寸超（特）大规模硅集成电路（ULSI） 用硅材料中轻元素杂质、缺陷性质、相互作用规律，以及它们在热处理工艺中的 演变，和对材料电学和力学性能的作用的基础上，利用缺陷工程，减少或消除对 超（特）大规模硅集成电路（ULSI）用硅材料的缺陷，提咼和优化材料性能， 为
13、超（特）大规模硅集成电路（ULSI）的设计和制备提供理论依据和优质硅材 料。二、硅基光子晶体的研究从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步、半个世纪以来，电 子器件的迅猛发展使其广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通讯和 计算机产业的发展。然而，进一步小型化以及在减小能耗下提咼运作速度，几乎 是一种挑战、由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和 热的波动使它的运作变得不可靠了，人们感到了电子产业的发展极限。由于光子 是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件有比电子器件咼得多的运行速 度，光子在电介质传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽要远大于金属导线， 并
14、且光子受到的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高。人 们转而把目光投向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。类似于 电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料 光子晶体 （Pho to nic Crys ta。光子晶体（Photonic Cryst）l是由具有不同介电常数（折射率）的材料按照 某种空间有序排列的周期可与光波长相比的人工微结构。介电函数的周期性变化 能够调制材料中光子的状态模式，使光子带隙出现，当光的频率位于光子带隙范 围内，它将不能在光子晶体中的任何方向传播。因此，光子晶体也常称为光子带 隙材料（Phtonic Band Gap Mater
15、iJs光子晶体将成为光电集成、光子集成、光 通讯的关键性基础材料，所以光子晶体又成为“光学半导体”。它广阔的应用前 景使光子晶体成为当今世界范围的一个研究热点，得到了迅速的发展。硅材料是现代集成电路工业的基础性材料，是人类制备工艺最成熟、研究最深入、了解最清楚的材料之一。硅的折射率较高（在波长为l.lum时n=3.53）, 满足完全光子带隙的光子晶体的要求，且硅对通信领域所采用的两个波长1.3“m 和1.55“n来说是透明的，所以硅材料是制备光子晶体的良好材料。近几年，硅 基光电集成取得了一些突破，研究硅基光子晶体，将大大促进硅基光电集成、全 光集成技术的发展。目前的研究方向为硅基光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体的制备和性质， 研究采用自组装方法获得的蛋白石胶体晶体为模板，制备硅的反蛋白石结构，理 论计算表明三维周期结构只具有赝光子带隙，这种由数百纳米的单分散二氧化硅 小球自组装面心密排堆积而成的反蛋白石结构具有完全的光子带隙。 三、铸造多晶硅及其它光电转换材料现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常 规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此 各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能
