1、1第一章 硅和锗的化学制备1.1 硅和锗的物理化学性质一、Si和Ge物理性质Si、Ge元素周期表中第族元素Si银白色 Ge灰色晶体硬而脆 二者熔体密度比固体密度大,故熔化后会体积收缩(锗收缩5.5,而硅大约收缩10)234SiGe室温Eg 1.106 0.67本征电阻率 2.3 105 46.0迁移率 n 1350 3900 p 480 K3,并且随着分解温度的升高,K2、K3相差越大。(2)在高温、低氢浓度下,有 1,即 1。(5)式可简化为:23KK223HKK414SiHKdtSiHd一级反应38(3)在低温、加大氢浓度情况下有:反应不是一级反应,反应速度要下降很多。1223HKK以上分
2、析得出的结论:(1)热分解反应温度不能太低。(2)热分解产物之一氢气必须随时排除,以保证H2不大的条件。(3)只有在一级反应条件下,才能保证分解速度快,即硅烷的热分解效率高。39 1.3 锗的富集与提纯 1.3.1 锗的资源与富集锗在地壳中含量约为210-4%,比金5 10-7%、银110-5%还要丰富它分布极其分散而金是以单质存在,所以只是在近几十年发现它有半 导体性质,才得到人们重视,常被归类于稀有元素。Ge原子价有二价和四价两种 GeO:黑色、易挥发;GeO2:稳定、白色40一、锗资源(来源)锗资源总的可分为三大类:(1)在煤及烟灰中,分散的锗常被植物根部吸收,后在形成 的煤中锗含量为1
3、0-3%10-2%,在烟灰中可达10-2%10-1%。(2)与金属硫化物共生,如:ZnS、CuS等矿物中常含有10-2%10-1%的锗。(3)锗矿石,如:硫银锗矿(4Ag2S GeS)含锗可达6.93%;锗石 (7CuSFeS GeS2)含锗6%10%等,主要产自非洲及美国。二、锗的富集 富集:简单的说,就是除去矿物中的杂质提高矿物中有用成分的含量。41锗富集主要采用两种方法:(1)火法:将某些含锗矿物在焙烧炉中加热,将部分砷、铅、锑、镉等 挥发掉,锗以氧化物形式残留在矿渣中,成为锗富矿(锗精矿)。(2)水法:以ZnS矿为原料,先用稀H2SO4溶解,制成ZnSO4溶液,调整 PH=2.3-2.
4、5之间,将ZnSO4沉淀滤掉,向残液中加入丹宁络合沉淀 锗,再过滤、焙烧,最后获得含锗3%-5%的锗精矿。由于锗的资源稀少,所以废料要进行二次利用。经过富集后的锗精矿含锗量大约在10以内,所以还需要进一步的提纯。421.3.2 高纯锗的制取一、GeCl4的制备原料:盐酸和锗精矿(主要成分是GeO2)反应方程式:GeO24HCI GeCl4+2H2O过程:制取GeCl4 精馏(或萃取)提纯 水解生成GeO2 氢还原成Ge 进一步区熔提纯成高纯Ge该反应为可逆反应几点要求:1反应时HCl的浓度必须大于6mol/L,否则GeCl4水解。2由于蒸馏时有大量的HCl随GeCl4一起蒸出,再加上其他杂质也
5、消耗 HCl,所以蒸馏时加入的HCl浓度要大一些,一般在10mol/L以上。3可加入硫酸来保持酸度。43杂质也会和盐酸反应生成相应的氯化物,其中最重要的杂质As反应后会生成AsCl3(沸点130)与GeCl4(沸点83)相近而被蒸出。有效除As方法:在氯化时加入氧化剂(MnO2),使AsCl3变成难挥发的砷酸(H3AsO4)留在蒸馏釜中。MnO2+4HCl MnCl2+2H2O+Cl2AsCl3+Cl2+4H2O H3AsO4+5HCl44二、GeCl4的提纯目前主要有两种方法:萃取法与精馏法萃取法主要除砷,方法:利用AsCl3与GeCl4在盐酸溶液中溶解度的差异,萃取分离。GeCl4在较浓的
6、盐酸中几乎不溶解AsCl3的溶解度达200300g/L萃取法也可除去一大部分其它杂质,Al,B,Sb,Sn等粗GeCl4中含有As、Si、Fe、Al等的氯化物杂质,其中AsCl3最难除去。经过萃取和精馏后,砷的含量可降至210-9以下46三、四氯化锗水解GeCl4+(2+n)H2O GeO2nH2O+4HCl+Q1、该反应也是可逆反应,主要取决于酸度,若酸度大于6mol/L,反应 将向左进行,又因为盐酸浓度在5mol/L时,氧化锗的溶解度最 小,所以水解时加入水量要控制在GeCl4:H2O=1:6.5(体积比)。2、水解要用超纯水,用冰盐冷却容器以防止GeCl4受热挥发。3、过滤得到的GeO2
7、经洗涤后在石英器皿中150200 下脱水,这样 制得的GeO2纯度可达5个”9”以上。47中间产物氧化锗在700以上易挥发,所以还原温度一般控制在650左右。二氧化锗完全被还原的标志是尾气中无水雾。完全还原成锗后,逐渐将温度升至1000-1100,将锗粉熔化铸成锗锭。GeO2+2H2=Ge+2H2O 实际反应可能分两个阶段进行 GeO2+H2=GeO+H2O GeO+H2=Ge+H2O 650 四、二氧化锗氢还原 本世纪本世纪5050年代,半导体应用的发展,带动了单晶硅的生产。年代,半导体应用的发展,带动了单晶硅的生产。单晶硅是由许多硅原子单晶硅是由许多硅原子 以金刚石晶格结构以金刚石晶格结构
8、 排列成晶核排列成晶核 长成长成晶面取向相同的晶粒,并平行结合变成单晶硅。超纯单晶硅晶面取向相同的晶粒,并平行结合变成单晶硅。超纯单晶硅是最早使用的半导体材料,其纯度可高达是最早使用的半导体材料,其纯度可高达99.9999999999%99.9999999999%,在这样纯的单晶硅中,每一万亿个原子中有一个杂质原子。在这样纯的单晶硅中,每一万亿个原子中有一个杂质原子。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。单晶的生长方法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶的生长方法很多,主要有四种:法
9、很多,主要有四种:区熔法。区熔法。19521952年,由美国科学家蒲凡所发明。在一个长棒形年,由美国科学家蒲凡所发明。在一个长棒形固体非单晶原料中,有一段短的区域被加热融熔,并且缓慢固体非单晶原料中,有一段短的区域被加热融熔,并且缓慢地从一端移向另一端,使原料内的物质在结晶过程中重新分地从一端移向另一端,使原料内的物质在结晶过程中重新分布,达到提纯物质重新结晶的目的。区熔法目前仍在广泛使布,达到提纯物质重新结晶的目的。区熔法目前仍在广泛使用。用。水热法。单晶体在高温高压条件下从溶液中生长,所水热法。单晶体在高温高压条件下从溶液中生长,所使用的容器是高压釜。通常把原料放在温度比较高的使用的容器是
10、高压釜。通常把原料放在温度比较高的底部,籽晶放在温度较低的上部,容器内充满溶剂。底部,籽晶放在温度较低的上部,容器内充满溶剂。在高压釜底部的高温部分,原料溶解在溶剂中,由于在高压釜底部的高温部分,原料溶解在溶剂中,由于温差对流,溶解的原料被溶液带到釜上部,在籽晶附温差对流,溶解的原料被溶液带到釜上部,在籽晶附近达到过饱和状态,并在籽晶上结晶。溶液的循环,近达到过饱和状态,并在籽晶上结晶。溶液的循环,使底部的原料不断溶解;而上面的籽晶不断生长。目使底部的原料不断溶解;而上面的籽晶不断生长。目前水热法主要用于生长水晶以及其它氧化物单晶。前水热法主要用于生长水晶以及其它氧化物单晶。此外,还有外延生长法和升华法。此外,还有外延生长法和升华法。作业 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?一 物理性质比较性 质SiGe位置族族原子序数1428颜色银白色金属光泽灰色介电常数11.716.3禁带宽度(室温)1.1eV0.67eV本征电阻率(.cm)2.310546电子迁移率(cm2/V.s)13503900空穴迁移率(cm2/V.s)4801900