揭秘！怎樣把沙子變成99.999999999%純度的芯片原材料硅片

高純度的單晶硅片是制造各種芯片的基礎(chǔ)材料，半導(dǎo)體級(jí)硅的純度極高，通常要達(dá)到99.9....%(小數(shù)點(diǎn)后面7至9個(gè)9，甚至是12個(gè)9），且為單晶，即硅原子晶格統(tǒng)一朝向。

當(dāng)然這里所說的純度一般是僅考慮不含金屬雜質(zhì)的純度，不包括氧、碳等雜質(zhì)。

如果你關(guān)注芯片比較多的話，應(yīng)該知道這些純度極高的單晶硅片是從砂子制造而來的，今天我們就來看下具體的制造過程。講的是正兒八經(jīng)的工業(yè)硅生產(chǎn)流程，這樣就排除了一些形形色色的小眾方法了。

[敏感詞]步：從砂子到粗硅（碳熱還原反應(yīng)）

通常是在石墨電弧爐中進(jìn)行，將石英巖（或沙子）與焦炭、煤及木屑等混合，加熱到1500到2000攝氏度時(shí)進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)。

具體的反應(yīng)式如上圖，這一步制造的硅被稱為冶金硅，其純度可以達(dá)到 96-99%。冶金硅的主要用途主要用于鋁合金和有機(jī)硅工業(yè)，其純度還達(dá)不到半導(dǎo)體級(jí)別硅的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步的提純。

當(dāng)然，上面的反應(yīng)方程式是一個(gè)總體的過程，實(shí)際上在石墨電弧爐發(fā)生了復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，如上圖，反應(yīng)的過程中還產(chǎn)生了碳化硅，一氧化硅等中間物。

大型企業(yè)一般采用的是大容量電爐，原料準(zhǔn)備、配料、加料、電機(jī)壓放等機(jī)械自動(dòng)化程度高，并具備獨(dú)立的煙氣凈化系統(tǒng)。上圖是工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝流程。

第二步：從粗硅到高純度多晶硅

這一步實(shí)現(xiàn)的方法有很多，總的來說，都要先將粗硅制成鹵化物或氫化物來進(jìn)行提純，而后再變成高純度的硅。

現(xiàn)有的方法主要包括：三氯氫硅還原法、硅烷熱分解法、流化床法、冶金法。目前在工業(yè)上規(guī)模生產(chǎn)的主要方法是三氯氫硅還原法。

整個(gè)的工業(yè)化流程如上圖所示，最早由西門子公司發(fā)明，所以又被稱為西門子法。目前全世界生產(chǎn)多晶硅的工廠共有10家，其中70%的產(chǎn)出來自于西門子法，其整個(gè)的過程可分為三大塊：

1、三氯氫硅的合成。

反應(yīng)方程如上圖。將硅粉（SI）和氯化氫（HCl）即鹽酸在300度和0.45兆帕的壓力下，經(jīng)過催化合成反應(yīng)生成三氯氫硅（又被稱為三氯硅烷或硅氯仿），這一過程被稱為氯化粗硅。

2、三氯氫硅的純化。

目前工業(yè)上有完善的精熘提純解決方案，一般使用5-9塔連續(xù)精熘，其所提純的三氯氫硅雜質(zhì)總量在量級(jí)，已達(dá)到半導(dǎo)體級(jí)純度要求，用其生產(chǎn)的硅不需要再經(jīng)過一級(jí)物理提純。

3、三氯氫硅的氫還原反應(yīng)。

反應(yīng)方程如上。使用氫氣作為還原劑，將氫通入三氯氫硅液體中鼓泡，使高純硅沉積在1100-1200度的高純硅細(xì)棒上（通常在用于沉積的純硅細(xì)棒上通上大電流，使其達(dá)到所需的溫度），生成的多晶硅棒直徑可達(dá)到15-20厘米。用于還原的氫氣必須也是高純度的。

第三步：從高純度多晶硅到高純度單晶硅

對(duì)于微電子工業(yè)來說，這是極其重要的一步，是從多晶到單晶，本質(zhì)上就是要把硅原子由液相的隨機(jī)排列直接變?yōu)橛行蜿嚵?，由不?duì)稱結(jié)構(gòu)變?yōu)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)。但這種轉(zhuǎn)變是通過固液界面的移動(dòng)完成的，這種要求決定了單晶硅是從熔融的多晶硅中生長出來的，應(yīng)用最廣泛的便是坩堝直拉法。這種方法又被稱為切克勞斯基法，由其在1917年建立的晶體生長方法，簡稱CZ法，

其基本過程是這樣的：

首先將多晶硅塊和摻雜劑放入單晶爐中的石英坩堝中，使其溫度保持在1420攝氏度以上。

然后，將一根直徑很細(xì)的（通常只有1CM）的單晶硅棒（稱之為籽晶）放入其中，通過控制好溫度，在熔融的多晶硅液體和單晶硅棒固液交界面上，硅原子就會(huì)順著籽晶的硅原子排列結(jié)構(gòu)形成規(guī)則的結(jié)晶。

通過，讓籽晶一點(diǎn)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)上升，這時(shí)，更多的硅原子就會(huì)繼續(xù)沉積在之前的單晶層上，只要環(huán)境穩(wěn)定,就可以周而復(fù)始地形成結(jié)晶,最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體。即硅單晶錠。

控制直徑，保證晶體等徑生長是單晶制造的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)結(jié)晶加快時(shí),晶體直徑會(huì)變粗,提高升速可以使直徑變細(xì),提高溫度能抑制結(jié)晶速度。反之,若結(jié)晶變慢,直徑變細(xì),則通過降低拉速和降溫進(jìn)行控制。

拉晶開始,先引出一直徑為 3～5 mm 的細(xì)頸,以消除結(jié)晶位錯(cuò),這個(gè)過程稱為引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求,進(jìn)人等徑階段,直至大部分硅融液都結(jié)晶成單晶錠,只剩下少量剩料。

硅的熔點(diǎn)約為 1450℃,拉晶全程始終保持在高溫負(fù)壓的環(huán)境中進(jìn)行。直徑檢測必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實(shí)現(xiàn)。

拉晶過程中,固態(tài)晶體與液態(tài)融液的交界處會(huì)形成一個(gè)明亮的光環(huán),亮度很高,稱為光圈。光圈其實(shí)是固液交界面處的彎月面對(duì)坩堝壁亮光的反射。當(dāng)晶體變粗時(shí),光圈直徑變大,反之則變小。通過對(duì)光圈直徑變化的檢測,可以反映出單晶直徑的變化情況。

整個(gè)過程看似很簡單的樣子，其實(shí)在工程上有多達(dá)13個(gè)步驟，每一步驟都涉及很多的操作細(xì)節(jié)。同時(shí)，隨著技術(shù)和工藝的迭代，在直拉法制晶的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出磁場直拉法，連續(xù)加料工藝，這里就不再贅述了。

第四步：從高純度硅單晶錠到單晶硅片

簡單來說就是將單晶硅錠切成一片片的硅片。

半導(dǎo)體所用硅片和太陽能電池板所用的硅片其加工程序稍有不同，一般需要對(duì)單晶硅棒進(jìn)行切斷、滾圓、切片、倒角、磨片、化學(xué)腐蝕和拋光等一系列工藝，中間還要穿插不同程序的化學(xué)清洗。

下面講一講最主要的步驟：切片

切片通常使用內(nèi)圓切割機(jī)和線切割機(jī)。

內(nèi)圓切割機(jī)就是使用的是一種環(huán)狀刀片，中空，環(huán)狀刀片的內(nèi)環(huán)邊緣用顆粒狀金剛石，將硅碇放在中間的圓環(huán)中來回動(dòng)，這種環(huán)抱式的切割方法比通常的電鋸式切割要更加的穩(wěn)定，但這種方法損耗大，對(duì)硅片的損傷也大。

另一種方法是線切割，通過粘有金剛石的金屬絲（直徑在180微米左右）的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到切割的目的，這種方法產(chǎn)生的應(yīng)力小，對(duì)硅片的損傷小，但切割生成的硅片平整度稍差（有大的起伏），把以線切割通常主要用作對(duì)平整度要求不高的太陽能電池上。

好了，對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)，從砂子到硅片的整個(gè)過程就大致講完了

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