二氧化硅的化学性质
二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应，但能与碱性氧化物或碱反应生成盐。例如：高温
2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O CaO+SiO2===CaSiO3
二氧化硅的化学性质特点：SiO2是酸性氧化物，是硅酸的酸酐。然而SiO2与其它的酸性氧化物相比却有一些特殊的性质。
（1）酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但SiO2却不能直接跟水化合。它所对应的水化物——硅酸，只能用相应的可溶性硅酸盐跟酸反应制得（硅酸不溶于水，是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱（2）酸性氧化物一般不跟酸作用，但SiO2却能跟氢氟酸起反应，生成气态的四氟化硅。SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O
普通玻璃、石英玻璃的主要成分是二氧化硅。因而可用氢氟酸来腐蚀玻璃。用氢氟酸在玻璃上雕花刻字，实验室里氢氟酸不能用含二氧化硅的玻璃、陶瓷、瓷器、陶器盛放，一般可用塑料瓶。
（3）SiO2与强碱溶液反应可生成水玻璃，它是一种矿物胶，常用作粘合剂。所以实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞，而用橡胶塞。
二氧化硅在IC中的用途
二氧化硅薄膜最重要的应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜，因此需要一定的厚度来阻挡杂质扩散到硅中。二氧化硅还有一个作用是对器件表面保护和钝化。二氧化硅薄膜还可作为某些器件的组成部分：
（1）用作器件的电绝缘和隔离。
（2）用作电容器的介质材料。
（3）用作MOS晶体管的绝缘栅介质。
1 二氧化硅（SiO2）薄膜的制备
针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜的制备方法得到了发展与应用,主要有化学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法，溶胶凝胶法和液相沉积法等。
1.1化学气相淀积（CVD）
1969年，科莱特（Collett）首次利用光化学反应淀积了Si3N4薄膜，从此开辟了光化
学气相淀积法在微电子方面的应用。
化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内，将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以又称CVD （Chemical Vapour Deposition）。
CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学气相沉积等。此外CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。
1.1.1等离子体增强化学气相沉积法
这种技术利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重,并存在空洞等。
目前已发展了双源等离子体CVD、电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积(ECR2PECVD)、微波等离子体增强化学气相沉积(MPECVD)[10]等技术。采用开放式2.45GHzECR2PECVD装置,产生低能量、低气压、高密度的等离子体,并将一个可独立调节和控制的13.56MHz的射频偏压加在待沉积的单面抛光Si(100)基片上,用SiH4、O2和Ar气体作为反应气体来制备SiO2薄膜。结果表明,通过改变射频偏压来控制离子轰击能量,使ECR2PECVD成膜的内应力、溅射现象、微观结构和化学计量均受到很大程度的影响。1.1.2 光化学气相沉积法
这种方法是使用紫外汞灯(UV2Hg)作为辐射源,利用Hg敏化原理,在SiH4+N2O混合气体中进行光化学反应。SiH4和O2分2路进入反应室,在紫外光垂直照射下,反应方程式如下
3O 2 2O ·3 (< 195 nm )
O ·3 O ·+ O 2 (200～ 300 nm )
总反应式为 SiH4+ 2O 2 SiO 2+ 气体副产物(通N 2 排出)
PCVD制备的SiO2薄膜可应用于气体传感器的表面修饰,从而提高传感器的选择性。这种方法的主要特点是形成薄膜的温度低(50～200℃)。此外,由于光子的能量不足以引起气体分子电离,所以没有高能离子对晶片的损伤问题。这为集成电路的低温制造开辟了一条重要途径。
2.1物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类。其中真空蒸发镀膜
技术出现较早,但此法沉积的膜与基体的结合力不强。在1963年,美国Sandia公司的D.M.Mattox首先提出离子镀(IonPlating)技术,1965年,美国IBM公司研制出射频溅射法,从而构成了PVD技术的三大系列——蒸发镀,溅射镀和离子镀。
2.1.1 磁控溅射沉积
SiO2靶的射频溅射法是制备SiO2薄膜的主要方法之一。这种方法在低温下制备的SiO2薄膜,具有多孔结构,致密度低,因而抗侵蚀能力差;而在较高温度下制备的薄膜,具有较高的致密度和较好的性能。所以,在通常情况下,衬底温度选择为300～600℃。其缺点是导致器件易受到热伤害,使一些性能指标降低。随后发展起来的磁控射频溅射技术,能达到快速和低温的要求,不仅弥补了射频溅射的缺点,大大减小了电子对衬底表面直接轰击造成的损伤,且能在较低的功率和气压下工作。绝缘体和导体均可溅射,工艺简单,衬底温度低,薄膜厚度的可控性、重复性及均匀性与其他薄膜制备方法相比有明显的改善和提高,因而得到了广泛使用。许生等使用140mm×600mm的硅靶,频率为40kHz的中频电源,以Ar为溅射气体,O2为反应气体,成功地制备了SiO2薄膜,并对制备的SiO2薄膜的化学配比和元素化学态进行了扫描俄歇谱(SAM)和X射线光电子能谱(XPS)分析,测试了膜层对钠离子(Na+)的阻挡性能、光学折射率和可见光透过率。 2.1.2 脉冲激光沉积
激光沉积是20世纪80年代后期发展起来的新型的薄膜制备技术,在制备高温超导体、铁电体等复杂氧化物方面,取得了极大的成功。近年来,这种方法也被用来制备硅基硅材料及硅基硅化物材料的薄膜,并对这些材料的结构及发光特性进行了研究。用准分子激光,在含氧气氛中对单晶硅靶进行反应剥离,使反应生成的二氧化硅沉积在单晶硅片表面形成薄膜,用X射线光电子能谱分析表明,形成的薄膜是非晶态的二氧化硅组分;通过透射电子显微镜(TEM)可观察到微米量级的多晶硅颗粒。
3.1 热氧化法
热氧化工艺是在高温下(900～ 1 200 ℃) 使硅片表面氧化形成SiO 2 膜的方法, 包括干氧氧化、湿氧氧化以及水汽氧化。采用干氧气氛下的高温氧化, 生长厚度为10 nm 左右的SiO 2 所需的氧化时间很短, 常规电阻丝加热氧化炉无法控制如此短的氧化时间。而采用高温下的低压氧化方法, 氧化时间将增加, 常规氧化炉可以控制较长的氧化时间, 但是较长时间的高温工艺过程会引起掺入杂质的再分布, 这是超大规模集成电路制作工艺中所不希望的。为了解决
以上问题, 出现了一种制备超薄SiO 2 薄膜的新方法——快速热工艺氧化法, 或称快速热氧化法(Rap id ThermalO x idat ion) 。这种方法采用快速热工艺系统, 精确地控制高温短时间的氧化过程, 获得了性能优良的超薄SiO 2 薄膜。譬如硅烷低温氧化沉积SiO 2 薄膜, 温度在400 ℃左右, 在含氧的气氛中硅烷(SiH4) 在衬底表面上热分解, 并与氧气反应生成SiO 2, 其化学反应式为: SiH4+ 2O 2SiO 2↓+ 2H2O ↑(或H2↑)。为了防止硅烷自燃, 通常使用氮气(N 2) 或氩气(A r) 稀释硅烷。在这些条件下生长的薄膜, 具有较高的绝缘强度和相当快的生长速度。这种方法的特点是设备简单, 温度低, 不生成气态有机原子团, 生长速率快, 膜厚容易控制; 缺点是大面积均匀性差, 结构较疏松, 腐蚀速度较快, 且气体管道中易出现硅烷氧化, 形成白粉, 因而沉积SiO 2 粉尘的污染在所难免。
3.2 溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是一种低温合成材料的方法, 是材料研究领域的热点。早在19 世纪中期, Ebelman 和Graham 就发现了硅酸乙酯在酸性条件下水解可以得到“玻璃状透明的”SiO 2 材料, 并且从此在黏性的凝胶中可制备出纤维及光学透镜片。这种方法的制作费用低、镀膜简单、便于大面积采用、且光学性能好,适用于立体器件。过去10 年中, 人们在此方面已取得了较大进展。通常, 多孔SiO 2 薄膜的特性依赖溶胶2凝胶的制备条件、控制实验条件(如溶胶组分、pH 值、老化温度及时间、回流等) , 可获得折射率在1. 009～ 1. 440、连续可调、结构可控的SiO 2 纳米网络。但是SiO 2 减反射膜(即增透膜) 往往不具有疏水的性能, 受空气中潮气的影响, 使用寿命较短。经过改进, 以正硅酸乙酯(TEO S) 和二甲基二乙氧基硅烷(DDS)
2 种常见的物质为原料, 通过二者的共水解2缩聚反应向SiO 2 网络中引入疏水的有机基团—
—CH3, 由此增加膜层的疏水性能。同时, 通过对体系溶胶2凝胶过程的有效控制, 使膜层同时具有良好的增透性能及韧性。此外, 在制备多孔SiO 2 膜时添加聚乙二醇(PEG) 可加强溶胶颗粒之间的交联, 改善SiO 2 膜层的机械强度, 有利于提高抗激光损伤强度。
3.3 液相沉积法
在化学沉积法中, 使用溶液的湿化学法因需要能量较小, 对环境影响较小, 在如今环境和能源成为世人瞩目的问题之时备受欢迎, 被称为sof t2p rocess (柔性过程)。近年来在湿化学法中发展起一种液相沉积法(L PD) , SiO 2 薄膜是用L PD 法最早制备成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6 的水溶液为反应液, 在溶液中溶入过饱和的SiO 2 (以SiO 2、硅胶或硅酸的形式) , 溶液中的反应为: H2SiF6+ 2H2O SiO 2+ 6HF。目前可在相当低的温度(～ 40 ℃) 成功地在GaA
s 基底上生长SiO 2 薄膜, 其折射率约为1. 423。PLD 成膜过程不需热处理, 不需昂贵的设备, 操作简单, 可以在形状复杂的基片上制膜, 因此使用广泛。
二氧化硅膜的质量检测
膜的质量主要体现在膜的表面没有斑点、裂痕、白雾发花和针孔等缺陷。厚度达到规定指标且保持均匀。对膜中可动杂质离子，特别是钠离子的含量也必须是有明确的要求。
1、比色法
直接观察硅片氧化膜颜色，可以比较方便的估计出氧化膜的厚度。由于光干涉作用，不同厚度的二氧化硅膜表现出不同的颜色.
? 氧化膜的颜色随其厚度的增加而呈现周期性的变化。
? 对应同一颜色，可能有几种厚度，所以这个方法的误差较大。
? 不过，可将生长了二氧化硅的硅片在氢氟酸中进行腐蚀，观察其颜色变化，确定其
厚度。
? 当厚度超度7500埃的时候，颜色的变化就不明显了。因此，此法只适用于氧化膜厚
度在一微米以下的情况。
? 注意：表中所列的颜色，是照明光源与眼睛均垂直于硅片表面时所观察到的颜色。
2、干涉法
目前最常用的方法就是干涉法，其设备简单，测量方便，也比较准确。在已经氧化过得硅片表面，用蜡或真空油脂保护一定的区域（如占硅片面积的1/2---1/3），然后放入氢氟酸中，将未保护的氧化膜腐蚀掉，最后用有机溶液（如甲苯、四氯化碳）将蜡或真空油脂除净，这是就出现了二氧化硅斜坡。当已知波长的单色光束垂直照射在斜坡上面，如图所示，由于二氧化硅膜是透明的，所以入射光束将分别在二氧化硅表面和二氧化硅-硅界面处反射，这两部分的反射光将产生干涉，在显微镜下可以看到明暗相间的干涉条纹，并根据此公式得出二氧化硅膜的厚度：
)
n :(200：为入射光的折射率，
：为入射单色光的波长：为干涉条纹，为膜厚度，λλN X n
N X =
3.椭圆偏振光法
? 此法是由激光器发出一定波长的激光束，经起偏器变成线性偏振光，并确定偏振方
向，再经过1/4波长片，由于双折射现象，使其产生为相位相差90°的两部分光，它们的偏振方向相互垂直，所以变成椭圆偏振光。椭圆的形状由起偏器方位角决定。椭圆偏振光以一定的角度入射到样品上，反射后偏振状态发生改变，一般认为椭圆偏振光，但是椭圆的方位和形状改变了.此法的光路总路：
? 在波长、入射角、衬底等参数一定时，
对于一定厚度的某种膜
，启动起偏器，总可以找到一个方位角，使反射光变成线性偏振光。这是转动检偏器，当检偏器的方位角与反射线偏振光相互垂直的时，光束不能通过，出现消光现象。消光时，
这时的d 和n 也是P 和A 的函数，可以由已知的（P,A ）-（d ，n ）关系图，根据已知的P 、A 求出d 和n 。
的函数。率和膜折射是膜厚和n d ???????>-≤≤-=?=?)
135(2630)1350(2270o o o o o P P P P A A P 当当决定，关系如下：和检偏器方位角分别由起偏器的方位角和??
二、氧化膜的缺陷的类型和检测
? 1.氧化膜缺陷类型
(1)宏观缺陷
宏观缺陷又称表面缺陷，主要包括：氧化层厚度不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等。
1)氧化层厚度不均匀。
2)氧化层斑点。
解决方法是严格处理硅片表面，对石英管进行严格的清洗，严格控制水温和氧气流量。3)氧化层针孔。
解决方法是严格删除衬底材料，氧化前进行严格的清洗。
(2)微观缺陷
氧化膜的微观缺陷是指钠离子沾污和热氧化层错。
1)钠离子沾污。
2)热氧化层错。
解决热氧化层错的方法很多，如降低氧化炉温，采用高温氧化，还可以采用化学吸附法。
2.氧化膜缺陷的检测
(1)表面观察法二氧化硅表面存在的斑点、裂纹、白雾和针孔等缺陷，以及膜厚的不均匀性，可以用肉眼或显微镜进行目检或镜检来鉴别。
(2)氯气腐蚀法二氧化硅表面存在的针孔、裂纹等不连续缺陷，
可用氯气腐蚀法检测。
纳米二氧化硅颗粒的制备与表征 一、实验目的 颗粒。 1、学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO 2 颗粒物相分析和粒径测定。 2、利用粒度分析仪对SiO 2 颗粒进行表征。 3、通过红外光谱仪对纳米SiO 2 4、通过热重分析仪测试煅烧温度。 二、实验原理 纳米SiO 具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表面上存在着大量2 的羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键 相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。 图1 纳米二氧化硅三维网状结构 图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团
溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。 第一步水解： 硅烷的水解过程ROH ?→ - + - -2 - ? Si+ OH O Si H OR 第二步缩合： 硅烷的缩聚过程O ?→ ? - - - - - - - + Si O H - Si Si + HO Si2 OH 总反应：ROH - - ? - - - + ?→ Si 22+ Si O O Si2 OR H 硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。 其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。 水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。 三、仪器及试剂 仪器常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪； 试剂乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试纸。 四、实验步骤 ①Stober 法制备纳米SiO 颗粒 2 取75mL 无水乙醇于烧杯中，加入25mL 去离子水，搅拌使其均匀。向其中加入10mL TEOS，同时搅拌。用1:1 氨水溶液调节硅烷溶液的pH 值至7，搅拌10min。将上述硅烷溶液放入水浴锅中，水温35℃，陈化1h。向溶液中逐滴加
采用热氧化方法制备的二氧化硅从结构上看是（）的。 （A）结晶形态（B）非结晶形态（C）可能是结晶形态的,也可能是非结晶形态的（D）以上都不对 多选题 下列物质中是结晶形态二氧化硅的有（）。 （A）硅土（B）石英（C）磷石英（D）玻璃（E）水晶 判断题 结晶形态二氧化硅是由Si-O四面体在空间规则排列所构成的。( ) 非结晶态二氧化硅的网络疏松,不均匀而且存在孔洞。( ) 结晶与非结晶形态二氧化硅的基本差异在于前者的结构具有周期性,而后者则不具有任何周期性。( ) 二氧化硅性质 单选题 采用热氧化方法制备的二氧化硅从结构上看是（）的。 （A）结晶形态（B）非结晶形态（C）可能是结晶形态的,也可能是非结晶形态的（D）以上都不对 结晶形态和非结晶形态二氧化硅的基本差异在于（）。 （A）前者前者由Si-O四面体组成,而后者则不含Si-O四面体（B）前者的结构具有周期性,而后者则不具有任何周期性（C）前者的密度大,而后者的密度小（D）前者的氧都是桥联氧,而后者的氧不是桥联氧 二氧化硅薄膜的折射率是表征其（）学性质的重要参数。 （A）电（B）磁（C）光（D）热 下列几种氧化方法相比,哪种方法制得的二氧化硅薄膜的电阻率会高些（）。 （A）干氧氧化（B）湿氧氧化（C）水汽氧化（D）与氧化方法无关 判断题 结晶形态二氧化硅是由Si-O四面体在空间规则排列所构成的。( ) 热氧化法制备二氧化硅 单选题 干氧氧化中,氧化炉内的气体压力应（A）一个大气压。 （A）稍高于（B）大大于（C）等于（D）没有要求 干氧氧化法有一些优点,但同时它的缺点有（）。 （A）生长出的二氧化硅中引入很多可动离子（B）氧化的速度慢（C）生长的二氧化硅缺陷多（D）生长的二氧化硅薄膜钝化效果差 多选题 干氧氧化法具备以下一系列的优点（）。 （A）生长的二氧化硅薄膜均匀性好（B）生长的二氧化硅干燥（C）生长的二氧化硅结构致密（D）生长的二氧化硅是很理想的钝化膜（E）生长的二氧化硅掩蔽能力强 判断题 水汽氧化法指的是在高温下,硅与高纯水产生的蒸气反应生成二氧化硅。( ) 湿氧氧化既有干氧氧化的优点,又有水汽氧化的优点,所以其氧化制备的二氧化硅薄膜的质量最好。( ) 湿氧氧化的氧化剂既含有氧,又含有水汽。( ) 二氧化硅生长的机制 单选题
改进众所周知的Stober 方法[135]，通过正硅酸乙脂（TEOS）在含有水（H2O）、 氨水（NH3OH）的乙醇混合溶液中水解，制备了不同尺寸(300,500,900 和1200 nm) 的二氧化硅（SiO2）微球。通过这种方法制备的二氧化硅（SiO2）微球单分散、尺寸 分布窄、不团聚，尺寸大小依靠反应物的浓度。典型的实验是混合正硅酸乙脂（TEOS）、 水（H2O）、氨水（NH3OH）、乙醇（C2H5OH）,在室温下搅拌 4 小时，结果得到白色 的SiO2胶体悬浮液。用离心机把SiO2从悬浮液中离心出来，之后用乙醇洗三次。比 600 nm 大的SiO2，不能直接通过Stober 方法制备，需要种子生长过程。在种子生长 过程，把一定量的SiO2加入NH3，H2O 和C2H5OH 的混合溶液之后，加入TEOS 和水， 这个过程与Stober 相似。表3-1 列出了制备不同尺寸的SiO2的实验条件。 3.2. 2 SiO2@Y2O3:Eu3+ 核壳材料的制备 利用Pechini 型溶胶-凝胶法在SiO2球上包覆Y2O3:Eu3+层，制备SiO2@Y2O3:Eu3+ 核壳发光材料[136-138]。搀杂的Eu3+的浓度占基质Y2O3中Y3+浓度的5%，这是最优化 条件[138]。称取化学计量比的Y2O3 和Eu2O3 (Y1.9Eu0.1O3)，用硝酸溶解，冷却到室 温，加入一定量的乙醇和水的混合溶液（其体积比为7：1），加入柠檬酸作为络合 剂，柠檬酸与金属离子的摩尔比为2：1，再加入一定量的聚乙二醇（0.08g/ml）作 为交联剂, 溶液搅拌2 小时形成溶胶，然后在搅拌的条件下加入SiO2 粒子，搅拌5 小时，用离心机把悬浮液离心。所得试样在100 oC 干燥两个小时，然后以每小时120 oC 的升温速度烧结到900 oC，并保留2 小时。这样的过程反复几次，以增加Y2O3:Eu3+ 层的厚度。实验过程如图3-1 所示。为作对比，把包覆之后的溶胶蒸发形成凝胶，烧 结到相应的温度，制备纯的Y2O3:Eu3+粉末。表3-1 制备不同尺寸SiO2 的实验条件：C 是浓度，单位是mol/L, N 是反应次数，t是反应时间 图3-1 核壳SiO2@Y2O3:Eu3+发光粉的制备过程示意图
生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程b、拉棒过程c、切片过程d、制电池过程e、封装过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。 一种单晶硅太阳能电池的制造方法，包含：将氢离子或稀有气体离子中的至少一种注入单晶硅基板的工序；以该离子注入面作为贴合面，经由透明导电性粘结剂，粘结该单晶硅基板与该透明绝缘性基板的工序；固化该透明导电性粘结剂成为透明导电性膜，并贴合该单晶硅基板与该透明绝缘性基板的工序；对该离子注入层施予冲击，机械性剥离该单晶硅基板，来形成单晶硅层的工序；以及在该单晶硅层形成ｐｎ结的工序。由此提供一种单晶硅太阳能电池，于硅太阳能电池中，为了有效活用其原料（硅）而将光变换层制成薄膜，且变换特性优异，并且因光照射产生的劣化少，所以可使用作为住宅等的采光窗材料的透视型太阳能电池。 一、硅片检测 硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N 型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测,同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试[url=]模组[/url]主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。 二、表面制绒 单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。 三、扩散制结
二氧化硅的化学性质 二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应，但能与碱性氧化物或碱反应生成盐。例如：高温 2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O CaO+SiO2===CaSiO3 二氧化硅的化学性质特点：SiO2是酸性氧化物，是硅酸的酸酐。然而SiO2与其它的酸性氧化物相比却有一些特殊的性质。 （1）酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但SiO2却不能直接跟水化合。它所对应的水化物——硅酸，只能用相应的可溶性硅酸盐跟酸反应制得（硅酸不溶于水，是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱（2）酸性氧化物一般不跟酸作用，但SiO2却能跟氢氟酸起反应，生成气态的四氟化硅。SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O 普通玻璃、石英玻璃的主要成分是二氧化硅。因而可用氢氟酸来腐蚀玻璃。用氢氟酸在玻璃上雕花刻字，实验室里氢氟酸不能用含二氧化硅的玻璃、陶瓷、瓷器、陶器盛放，一般可用塑料瓶。 （3）SiO2与强碱溶液反应可生成水玻璃，它是一种矿物胶，常用作粘合剂。所以实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞，而用橡胶塞。 二氧化硅在IC中的用途 二氧化硅薄膜最重要的应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜，因此需要一定的厚度来阻挡杂质扩散到硅中。二氧化硅还有一个作用是对器件表面保护和钝化。二氧化硅薄膜还可作为某些器件的组成部分： （1）用作器件的电绝缘和隔离。 （2）用作电容器的介质材料。 （3）用作MOS晶体管的绝缘栅介质。 1 二氧化硅（SiO2）薄膜的制备 针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜的制备方法得到了发展与应用,主要有化学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法，溶胶凝胶法和液相沉积法等。 1.1化学气相淀积（CVD） 1969年，科莱特（Collett）首次利用光化学反应淀积了Si3N4薄膜，从此开辟了光化 学气相淀积法在微电子方面的应用。 化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内，将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以又称CVD （Chemical Vapour Deposition）。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学气相沉积等。此外CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。 1.1.1等离子体增强化学气相沉积法 这种技术利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重,并存在空洞等。
纳米二氧化硅的制备 专业：凝聚态学号：51110602021 作者：张红敏 摘要 本文简单综述了一下纳米二氧化硅的各种制备方法，包括化学沉淀法、气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力法、机械粉碎法，并对未来制备纳米二氧化硅的方法提出了一点展望。 关键词：纳米二氧化硅，制备，展望
1. 引言 纳米二氧化硅为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，其颗粒尺寸小，粒径通常为20～200nm，化学纯度高，分散性好，比表面积大，耐磨、耐腐蚀，是纳米材料中的重要一员。由于纳米二氧化硅表面存在不饱和的双键以及不同键合状态的羟基，具有常规粉末材料所不具备的特殊性能，如小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应、宏观量子隧道效应和特殊光电性等特点[1]，因而表现出特殊的力学、光学、电学、磁学、热学和化学特性，加上近年来随着纳米二氧化硅制备技术的发展及改性研究的深入, 纳米二氧化硅在橡胶、塑料、涂料、功能材料、通讯、电子、生物学以及医学等诸多领域得到了广泛的应用。 2. 纳米二氧化硅的制备 经过收集资料,查阅一些教科书籍和文献,发现二氧化硅有各种形形色色不同的制备方法, 主要包括化学沉淀法、气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力法、机械粉碎法等等。现在一个个介绍如下: 2.1. 化学沉淀法 化学沉淀法是目前生产纳米二氧化硅最主要的方法。这种方法的基本原理是利用金属盐或碱的溶解度, 调节溶液酸度、温度、溶剂, 使其产生沉淀, 然后对沉淀物进行洗涤、干燥、热处理制成超细粉体[2]。 可以采用硅酸钠和氯化铵为原料, 以乙醇水溶液为溶剂, 采用化学沉淀法制备得到纳米SiO2[3]。将去离子水与无水乙醇以一定浓度混合盛于三口瓶中, 加入一定质量的硅酸钠和少量分散剂, 置于恒温水浴中, 凋节至40±1℃, 搅拌状态下加入氯化铵溶液, 即出现乳白色沉淀, 洗涤, 抽滤, 100℃烘干,置于马弗炉450 ℃焙烧1h, 得到白色轻质的SiO2 粉末。所得SiO2颗粒为无定形结构, 近似球形, 粒径30～50nm, 部分颗粒间通过聚集相互联结, 表面有蜂窝状微孔。 以水玻璃(模数为3.3)和盐酸为原料[4],在超级恒温水浴中控制在40～50℃左右进行沉淀反应, 控制终点pH 值5～6, 得到的沉淀物采用离心法洗涤去掉Cl-, 然后在110℃下干燥12 h, 再于500℃进行焙烧即可得到产品。制得SiO2粒
二氧化硅的制备 内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
纳米二氧化硅颗粒的制备与表征 一、实验目的 1、学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO2 颗粒。 2、利用粒度分析仪对SiO2 颗粒物相分析和粒径测定。 3、通过红外光谱仪对纳米SiO2 颗粒进行表征。 4、通过热重分析仪测试煅烧温度。 二、实验原理 纳米SiO 具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表面上存在着大量的 2 羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。 图1 纳米二氧化硅三维网状结构 图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团 溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。 第一步水解： 硅烷的水解过程ROH ? ?→ + - -2 - O OH Si H OR Si+ - 第二步缩合： 硅烷的缩聚过程O ? ?→ - - - - - - + - O Si Si - Si H + Si2 OH HO 总反应：ROH - ?→ ? - - - - + O O Si 22+ Si H Si2 OR 硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。
其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。 水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。 三、仪器及试剂 仪器常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪； 试剂乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试纸。 四、实验步骤 ①Stober 法制备纳米SiO2 颗粒 取75mL 无水乙醇于烧杯中，加入25mL 去离子水，搅拌使其均匀。向其中加入10mL TEOS，同时搅拌。用1:1 氨水溶液调节硅烷溶液的pH 值至7，搅拌10min。将上述硅烷溶液放入水浴锅中，水温35℃，陈化1h。向溶液中逐滴加入浓氨水，使其刚好产生果冻状凝胶为止。静置，至溶液全部转化为凝胶。 前躯体将所得的凝胶捣碎放入烘箱中，烘箱温度为100℃，烘干，即得SiO 2 粉末。 粉末。将粉末碾碎后在300℃煅烧20min 即得SiO 2 ② SiO2颗粒的粒径测试 先将大烧杯中装满水，对大烧杯进行清洗，倒去水。向大烧杯中装入部分水，测试背景。将小烧杯中预先搅拌好的二氧化硅浊液倒入大烧杯中，进行充分混合均匀，对其进行粒径分析。 ③SiO2颗粒红外光谱测试
实验方案设计方案二氧化硅薄膜的制备 学院：化学与化工程学院 年级： 2011级 专业：材料化学 姓名：何珊
二氧化硅薄膜的制备 摘要 二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光学、介电性质及耐磨、抗蚀等特性,在光学、微电子等领域有着广泛的应用前景,是目前国际上广泛关注的功能材料。论述了有关二氧化硅薄膜的制备方法,相应性质及其应用前景。 关键词：二氧化硅，薄膜，制备，应用，方法 1 引言 二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质。通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配比对二氧化硅薄膜的影响研究,制备具有优良性能的透明二氧化硅薄膜的工作已经取得了很大进展。薄膜在诸多领域得到了很好的应用,如用于电子器件和集成器件、光学薄膜器件等相关器件中。利用纳米二氧化硅的多孔性质可应用于过滤薄膜、薄膜反应和相关的吸收剂以及分离技术、分子工程和生物工程等,从而在光催化、微电子和透明绝热等领域具有很好的发展前景。本文将对二氧化硅薄膜的制备、性能及其应用研究进行了综述。 2 实验目的 学会通过施加负压，能够诱导TMOS 在ITO表面发生一个溶胶--凝胶过程，最终制备出二氧化硅薄膜。这个方法制备的二氧化硅薄膜对可见光有一定程度的吸收，其吸光度随着沉积时间和沉积温度的该表呈现一定的变化趋势。 3 实验原理 此次实验使用电化学诱导的溶胶一凝胶法制备了SiO 薄膜并且使用扫描电 2 镜、紫外／可见光谱及循环伏安法分别对薄膜的表面形貌、光吸收特性和导电性进行了表征．实验发现：随着沉积时间的延长，所得薄膜的电阻越来越大，而且，不同沉积时间和不同的沉积温度下所制的薄膜对可见光的吸收具有一定的变化趋势；此外，我们还观察到了有一定变化规律的扫描电镜图，在此基础上，提出 薄膜可能的生长机理 了一种模型探讨了SiO 2 4 实验仪器及试剂 CHI660型电化学工作站购自上海辰华仪器有限公司，UV18。0PC型紫外
纳米二氧化硅颗粒的制备与表征一、实验目的 颗粒。 1、学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO 2 颗粒物相分析和粒径测定。 2、利用粒度分析仪对SiO 2 颗粒进行表征。 3、通过红外光谱仪对纳米SiO 2 4、通过热重分析仪测试煅烧温度。 二、实验原理 纳米SiO 具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表面上存在着大量2 的羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键 相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。 图1 纳米二氧化硅三维网状结构 图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团 溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶 液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝 胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。 第一步水解： 硅烷的水解过程ROH ? ?→ + - OH - -2 O Si H OR Si+ - 第二步缩合： 硅烷的缩聚过程O ? ?→ - - - - - - + - O Si Si - Si H + HO Si2 OH 总反应：ROH - - ?→ - - - + ? Si2 O Si Si O OR H 22+ 硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅 烷的水解缩聚过程。 其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条 件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此， 选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。 水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂 对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。 三、仪器及试剂
Optoelectronics 光电子, 2014, 4, 34-43 Published Online September 2014 in Hans. https://www.doczj.com/doc/a68791359.html,/journal/oe https://www.doczj.com/doc/a68791359.html,/10.12677/oe.2014.43006 Fabrication Process of Silica Film for Optical Waveguides Jindong Wu1,2*, Shu Huang1,2, Haixing Hu1,2, Gangjing Ding1,2, Xiangjie Xiao1,2 1Shenzhen Optical Fiber Sensing Engineering Technology R&D Center, Shenzhen 2T&S Communications Co. Ltd., Shenzhen Email: *petter.wu@https://www.doczj.com/doc/a68791359.html, Received: Jul. 23rd, 2014; revised: Jul. 30th, 2014; accepted: Aug. 8th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/a68791359.html,/licenses/by/4.0/ Abstract SiO2 based planar waveguide circuit device has found increasing application in optical communi-cation and optical sensing. The deposition of SiO2 thin film is the basis of fabricating PLC and inte-grated devices. PECVD (Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition) and FHD (Flame Hydrolysis Deposition) are the typical techniques for depositing SiO2 thin film. In this paper, the influence of process parameters on thin film performance is discussed, showing that the hybrid process of PECVD and FHD is the most competitive way to fabricate PLC devices on SiO2 substrate. Keywords Planar Lightwave Circuits, Silica Film, PECVD, FHD 二氧化硅光波导膜材料的制备工艺 吴金东1,2*，黄舒1,2，胡海鑫1,2，丁纲筋1,2，肖湘杰1,2 1深圳市光纤传感工程技术研究开发中心，深圳 2深圳太辰光通信股份有限公司，深圳 Email: *petter.wu@https://www.doczj.com/doc/a68791359.html, 收稿日期：2014年7月23日；修回日期：2014年7月30日；录用日期：2014年8月8日 *通讯作者。
1.纳米二氧化硅的制备方法 到目前为止，纳米二氧化硅的生产方法主要可以分为干法和湿法两种。干法包括气 相法和电弧法，湿法有沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力反应法和水热合成法 等。 1.1 气相法 气相法多以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得烟雾状 的二氧化硅。 2H2+ O2→ 2H2O SiCl4+ 2H2O → SiO2+4HCl 2H2+ O2+SiCl4→ SiO2+4HCl 1.2 沉淀法 1.2.1沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的 SiO2晶体。 Na2SiO3+HCl → H2SO3+NaCl H2SO3→ SiO2+ H2O 该法原料易得，生产流程简单，能耗低，投资少，但是产品质量不如采用气相法和凝胶法的产品好。目前，沉淀法制备二氧化硅技术包括以下几类： （1）在有机溶剂中制备高分散性能的二氧化硅； （2）酸化剂与硅酸盐水溶液反应，沉降物经分离、干燥制备二氧化硅； （3）碱金属硅酸盐与无机酸混和形成二氧化硅水溶胶，再转变为凝胶颗粒，经干燥、热水洗涤、再干燥，锻烧制得二氧化硅； （4）水玻璃的碳酸化制备二氧化硅； （5）通过喷雾造粒制备边缘平滑非球形二氧化硅。 1.2.2实验部分 以Na2SiO3·9H2O为原料“浓H2SO4”为酸试剂"采用化学沉淀法制备纳米二氧化硅。 (1)原料与试剂：水合硅酸钠，分析纯，无锡市亚盛化工有限公司；浓硫酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；无水硫酸钠，分析纯，无锡市亚盛化工有限公司；聚乙二醇(PEG)6000，分析纯，无锡市亚盛化工有限公司。 (2)设备与分析仪器：Avatar360型傅立叶变换红外光谱(FT-IR)仪，KBr压片，美国；D/Max 型X射线粉末衍射仪，日本理学公司；TEM-2010型高分辨率透射电镜(TEM)，日本日立公司；HPPS5001激光粒度分析仪，英国Malvern公司；S-570型扫描电镜(SEM)，日本日立公司；紫外可见光吸收仪(UV-Vis)，日本日立公司；WDT-20，KCS-20型万能试验机，深圳凯强利试验仪器有限公司；磁力搅拌器、分析天平、抽滤瓶、烘箱、马弗炉。 (3)条件实验 ①称取一定量Na2SiO3·9H2O放入三颈瓶中，加入适量的蒸馏水使其完全溶解，然后向三颈瓶中慢慢滴加质量分数为95%~98%的浓H2SO4，并同时加入分散剂Na2SO4溶液和表面活性剂PEG6000，在反应的同时需要进行搅拌。 ②在反应结束后继续滴加浓H2SO4同时加入分散剂。 ③将反应的浆料在三颈瓶中熟化1h。 ④熟化后的反应物进行抽滤洗涤，反复洗涤数次，直至检测不出SO42-为止，将反应物抽滤成为粗时间，脱水的滤饼。 ⑤将滤饼放入烘箱中80℃烘干。 ⑥把烘干的产物放入马弗炉中450℃煅烧，最后将煅烧后的产物研磨成粉末。 1.3 凝胶法 凝胶法是加入酸使碱度降低从而诱发硅酸根的聚合反应，使体系中以胶态粒子形式存在
二氧化硅薄膜器件 为了得到具有较高品质的薄膜样品，制备方法十分重要，现在制备具有阻变性质薄膜的主要方法有溶胶-凝胶、脉冲激光溅射、金属有机化合物化学气相沉淀和射频溅射[20]。通过溶胶-凝胶法制备SiO2薄膜能够节约成本，成膜面积大，且容易对SiO2进行各种掺杂实验，所以本文采用溶胶-凝胶法在玻璃、塑料、IT O衬底上制备薄膜。 溶胶-凝胶法(Sol-gel):Sol-gel法的基本原理将薄膜材料的各组分按照一定的化学计量比例比溶于有机溶剂中，经过水解反应后聚合，形成溶胶，经过一段时间转变成具有一定空间结构的凝胶，最后经过旋涂、烘干处理制备出所需要的薄膜。溶胶-凝胶法具有操作简单、均匀性好、容易掺杂、设备简单、容易控制、成本低等优点。这种方法的缺点是:形成薄膜的致密性差、缺陷多从而导致测出的漏电流、表面均匀性不太理想。 ITO玻璃结构图 3.1制备SiO2薄膜样品 3.1.1溶胶-凝胶法制备二氧化硅胶体 操作步骤： （1）用一次性滴管分别量取TEOS和乙醇（按计算的量），加入到干净小瓶中，用镊子夹取清洗干净磁子，放入小瓶中，放置在磁力搅拌机上搅拌均匀； （2）用滴管吸取DI加入到（1）中的瓶子中，搅拌3-5天； （3）按照不同配比重复上述步骤重复上述步骤； 按照上述步骤将TEOS、乙醇、DI按照不同的摩尔比制成胶体 （TEOS：乙醇：DI=1:2/3:5；TEOS：乙醇：DI=1:2:5:；TEOS：乙醇：DI= 1:3:5 ）
图3.1.1 溶液配制方案示意图图3.1.2 SiO2薄膜制备工艺流程图 3.1.2 薄膜样品衬底的清洗 在制备二氧化硅RRAM实验中，以ITO作为实验衬底。首先拿出ITO衬底，将其放入烧杯中，加入丙酮，放入超声波清洗仪中震荡清洗5min，然后用乙醇清洗衬底5min，主要用来清洗基片表面有机物和无机物。清洗完毕后，拿出基片放在滤纸上在高温烤灯下烘干。 3.1.3 二氧化硅薄膜的制备 （1）悬涂仪参数设置： 设置低速为500rmp/s，旋转时间设为5秒； 设置高速为3000rmp/s,旋转时间设为30秒。 （2）二氧化硅薄膜的旋涂： 插上真空泵、旋涂仪电源，清洗吸盘表面； 开启悬涂仪电源，按下“CONTROL”； 用干净镊子取基片放在吸盘上，放在中间，按下“V ACUUM”吸住基片； 设置好对应的参数； 用一次性滴管将制好的胶体滴在衬底上，盖上盖子，按下“START”。 机台停止运转后后，用镊子取下基片，旋涂结束后关闭电源。
技术进展 ,2009,23(4):257～264SI L I CONE MATER I A L 中空二氧化硅微球的制备方法研究进展 3 顾文娟 1,2 ,廖 俊2,吴卫兵2,易生平2,黄 驰 2,33 ,黎厚斌 1 (1.武汉大学印刷与包装系,武汉430072;2.有机硅化合物及材料教育部工程研究中心,武汉430072) 摘要:介绍了中空二氧化硅微球的性质特点和应用范围,归纳了中空微球的一些主要制备方法,重点介绍了模板法(溶胶-凝胶法、层层自组装法)和乳液法的研究进展,讨论了不同方法之间的的优缺点。在此基础上,对中空二氧化硅微球的研究前景进行了展望。 关键词:中空,二氧化硅,模板法,乳液法 中图分类号:TK12712 文献标识码:A 文章编号:1009-4369(2009)04-0257-08 收稿日期:20090226。 作者简介:顾文娟(1985—),女,博士生。 3基金项目:湖北省自然科学基金(2005ABA034);湖北省催化材料重点实验室基金(CHCL06003)。33联系人,E -mail:chihuang@whu 1edu 1cn 。 近年来,具有特殊拓扑结构的粒子引起了人 们广泛的关注。其中,有关中空微球的研究已经 成为材料科学领域的研究焦点[1] 。 中空微球是一类具有独特形态的材料,粒径在纳米级至微米级,具有比表面积大、密度低、稳定性好等特性。由于其内部中空,可以封装气体或者小分子物质(如水、烃类)等易挥发溶剂,当然也可以封装其它具有特殊功能的化合 物;因此可以应用到药物控释[2-4] 、形貌控制模板[5-6]或微胶囊封装材料 [7] (药物[8]、颜料、化妆品[9] 、油墨和生物活性试剂),处理水污染[10],化学催化[11]和生物化学[12]等方面;同时,通过调整微球尺寸以及空腔和壁厚可以有效 实现对隔声、光[13] 、热、机械等性能随心所欲的设计,在工业上有广泛的应用前景。 中空二氧化硅微球由于本身的高熔点、高稳定性、无毒等特殊性质,使其应用领域得到进一步的拓展。例如可以做成轻质填料、耐火材料应用到高端包装领域;在其空腔封装功能化合物[14],既可以制成具有缓释功能的药物[15],又能够在人造细胞、疾病诊治等方面具有一定的价 值,被应用到医药、医疗[16-17] 、防伪和香料等行业。因此,二氧化硅中空微球的制备受到了广大研究人士的关注。本文对二氧化硅中空微球的制备方法进行了总结。 1 制备方法 111 模板法 模板法是在制备特殊形貌材料中应用比较多 的一种方法。顾名思义,就是先以特定的物质作为形貌辅助物———模板,然后根据需要将材料包覆或填充在模板中得到所需的形貌。可以作为模板的材料有囊泡[18] 、胶束[19-22] 、聚合物乳胶粒[23-27]、无机物小颗粒[28-31]等等。 模板法按照壳层的生成方式不同又分为溶胶-凝胶法(s ol -gel )和层层自组装法(layer by layer )。11111 溶胶-凝胶法(s ol -gel )溶胶-凝胶法一般是先制备表面功能化的模板颗粒或者加入表面活性剂,利用有机硅烷的水解/缩合反应,在模板的表面形成二氧化硅壳层。 聚合物胶束和乳胶粒虽然都可被应用做模板。但一般来讲,乳胶粒作为模板粒径较大;在亚微米到微米范围,胶束作为模板粒径较小,大多低于100nm 。胶束作为模板的优点是:通过调整聚合物的尺寸、聚集情况以及溶剂可以实现对胶束的尺寸和形貌的控制。 迄今为止,应用的聚合物胶束都是由AB 或ABA 型聚合物组成的核-冠结构。在这些体系 中,胶束的“冠”可以汇集无机物前驱体,“核”则作为中空结构的模板。无机材料的前驱体被吸附到胶束的“冠”部,聚合形成中空颗粒的壳;聚合物核将通过煅烧或者其它方式去
二氧化硅薄膜的制备及应用 班级:08微电子一班姓名:袁峰学号:087305136 摘要:二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光学、介电性质及耐磨、抗蚀等特性,在光学、微电子等领域有着广泛的应用前景,是目前国际上广泛关注的功能材料。论述了有关二氧化硅薄膜的制备方法,相应性质及其应用前景。 关键词：二氧化硅，薄膜，制备，应用，方法 引言：二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质。通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配比对二氧化硅薄膜的影响研究,制备具有优良性能的透明二氧化硅薄膜的工作已经取得了很大进展。薄膜在诸多领域得到了很好的应用,如用于电子器件和集成器件、光学薄膜器件等相关器件中。利用纳米二氧化硅的多孔性质可应用于过滤薄膜、薄膜反应和相关的吸收剂以及分离技术、分子工程和生物工程等,从而在光催化、微电子和透明绝热等领域具有很好的发展前景。本文将对二氧化硅薄膜的制备、性能及其应用研究进行了综述。 1 二氧化硅（SiO2）薄膜的制备 针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜的制备方法得到了发展与应用,主要有化学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法，溶胶凝胶法和液相沉积法等。 1.1化学气相淀积（CVD） 1969年，科莱特（Collett）首次利用光化学反应淀积了Si3N4薄膜，从此开辟了光化学气相淀积法在微电子方面的应用。 化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内，将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以又称CVD （Chemical V apour Deposition）。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学气相沉积等。此外CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。 1.1.1等离子体增强化学气相沉积法
选取氮化硅和二氧化硅作为薄膜材料，借助膜系设计软件对膜系结构进行优化，采用中频脉冲磁控溅射技术进行薄膜制备。利用高反膜透射曲线拟合方法调整薄膜的实际沉积速率，减少膜厚控制误差，在树脂镜片CR39基底的凸面和凹面上分别镀制了符合设计要求的红外防护膜和可见光减反膜。镀膜后树脂镜片在420～680 nm的平均透过率大于95%，在近红外800～1400 nm波段的平均透过率小于60%，薄膜性能稳定，能够满足红外防护树脂镜片的日常使用需要 1）热固性材料 1）普通树脂材料：（CR-39） 学名碳本酸丙烯乙酸，或称烯丙基二甘醇酸脂（Dially Glycol Carbonates），是应用最广泛的生产普通树脂镜片的材料。它于四十年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，因此，被称为CR-39（哥伦比亚树脂第39号）。CR-39被用于生产眼用矫正镜片是在1955~1960年，是第一代的超轻、抗冲击的树脂镜片。CR-39作为一种热固性材料，单体呈液态，在加热和加入催化剂的条件下聚合固化。聚合是一个化学反应，即由几个相同分子结构的单体组成的一个新的聚合体分子，具有不同的长度和性质。作为光学镜片，CR-39材料性质的参数十分适宜：折射率为1.5（接近普通玻璃镜片）、密度1.32（几乎是玻璃的一半）、
阿贝数为58~59（只有很少的色射）、抗冲高透光率，可以进行 染色和镀膜处理。 它主要的缺点是耐磨性不及玻璃，需要镀抗磨损膜处理。树脂镜片可采用模式压法加工镜片表面的曲率，因此很适用于非球面镜片的生产。 2）中高折射率树脂材料：今天大部分的中折射率和高折射率材料都是热固性树脂，其发展非常迅速。它们的折射率可以使用以下任意一种技术来增加：改变原分子中电子的结构，例如：引入苯环结构；在原分子中加入重原子，诸如卤素（氯、溴等）或硫。与传统CR-39相比，用中高折射率树脂材料制造的镜片更轻、更薄。它们的比重与CR-39大体一致（在1.20到1.40之间），但色散较大（阿贝数45），抗热性能较差，然而抗紫外线较佳，同时也可以染色和进行各种系统的表面镀膜处理。使用这些材料的镜片制造工艺与CR-39的制造原理大体一致。现在1.67的树脂材料已广泛流行，而且象1.7的树脂材料也已在市场上有销售。视光业的专业人员正不断研制开发新材料，改良原有材料，以期树脂材料在将来获得更好的性能。 3）染色树脂材料：用于制造太阳眼镜镜片的基本上都是聚合前加入染料而制成的，特别适合大批量制造各色平光太阳镜片，同时在材料中加入可吸收紫外线的物质。
SiO2薄膜制备的现行方法综述 在导电基体上制作薄膜传感器的过程中，需要在基体与薄膜电极之间沉积一层绝缘膜。二氧化硅薄膜具有良好的绝缘性能，并且稳定性好，膜层牢固，长期使用温度可达1000℃以上，应用十分广泛。通常制备SiO2薄膜的现行方法主要有磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积、热氧化法、凝胶－溶胶法等。本文系统阐述了各种方法的基本原理、特点及适用场合，并对这些方法做了比较。 正文：SiO2薄膜以其优异的性能在半导体、微波、光电子、光学器件以及薄膜传感器等领域获得了广泛的应用。在微电子技术中SiO2膜被用作扩散掩蔽层、MOS器件的绝缘栅、多层布线的绝缘隔离层以及器件表面的钝化保护层等。SiO2膜还以其折射率低（n=1.458）、透光性好的特性用于光学零件的表面防护以及减反射涂层。此外SiO2膜具有良好的绝缘性、稳定性和机械特性，硬度高、结构精细、膜层牢固、抗磨耐腐蚀、熔点高而用于多层薄膜传感器的绝缘层。为此，多年来人们对SiO2膜制作方法及性能等进行了广泛的研究。对于应用于微电子技术和传感器技术中的SiO2膜，人们关心的是SiO2薄膜的介电常数、击穿场强、绝缘电阻、固定电荷和可动电荷密度等电性能指标。应用于光学镀膜领域的SiO2膜，人们更关心膜层的折射率、消光系数及透明区间等光学性能指标。通常制备SiO2薄膜现行方法主要有磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积(CVD)、热氧化法、凝胶- 溶胶法等。 1、SiO2薄膜的制备方法 1.1、磁控溅射 磁控溅射自1970年问世以来，由于其沉积速率快、衬底温度低、薄膜厚度的可控性、重复性及均匀性与其它SiO2薄膜制备方法相比有明显的改善和提高，避免粉尘污染，以及溅射阴极尺寸可以按比例扩大等优点，已应用于从微电子器件到数平方米玻璃镀膜的诸多领域，并逐渐发展成为大面积高速沉积的主流方法。溅射的一般原理是将衬底承片台正对着靶，在靶和衬底之间充入氩气（Ar），由于电场作用气体辉光放电，大量的气体离子将撞击靶材的表面，使被溅射材料以原子状态脱离靶的表面飞溅出来，淀积到衬底上形成薄膜。磁控溅射中的正交电磁场，能使高能电子作螺旋运动，并被局限在阴极附近，这样将使辉光放电区被限制在阴极靶的邻近区域，从而避免了失效离子的产生，大大减小了电子对衬底表面直接轰击造成的损伤，增加了离化率，使工作气压可以大大降低。 如果在沉积室中增加反应性气体，使溅射粒子和反应性气体发生化学反应，从而合成化合物薄膜，这种沉积方法就称为反应磁控溅射。 1.1.1、直流反应磁控溅射 直流反应溅射用于化合物沉积早在70年代末就已经在工业上得到应用，如制备ITO膜和TiN膜等，大大拓展了溅射镀膜的应用范围。直流反应磁控溅射制备SiO2薄膜时以Si为靶材，