揭秘！怎樣把沙子變成99.999999999%純度的芯片原材料硅片

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2022-03-18 02:28:13 8

高純度的單晶硅片是制造各種芯片的基礎材料，半導體級硅的純度極高，通常要達到99.9....%(小數點后面7至9個9，甚至是12個9），且為單晶，即硅原子晶格統一朝向。

當然這里所說的純度一般是僅考慮不含金屬雜質的純度，不包括氧、碳等雜質。

如果你關注芯片比較多的話，應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。講的是正兒八經的工業硅生產流程，這樣就排除了一些形形色色的小眾方法了。

*步：從砂子到粗硅（碳熱還原反應）

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

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具體的反應式如上圖，這一步制造的硅被稱為冶金硅，其純度可以達到 96-99%。冶金硅的主要用途主要用于鋁合金和有機硅工業，其純度還達不到半導體級別硅的標準，需要進一步的提純。

當然，上面的反應方程式是一個總體的過程，實際上在石墨電弧爐發生了復雜的熱化學反應，如上圖，反應的過程中還產生了碳化硅，一氧化硅等中間物。

大型企業一般采用的是大容量電爐，原料準備、配料、加料、電機壓放等機械自動化程度高，并具備獨立的煙氣凈化系統。上圖是工業硅的生產工藝流程。

第二步：從粗硅到高純度多晶硅

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

現有的方法主要包括：三氯氫硅還原法、硅烷熱分解法、流化床法、冶金法。目前在工業上規模生產的主要方法是三氯氫硅還原法。

整個的工業化流程如上圖所示，最早由西門子公司發明，所以又被稱為西門子法。目前全*生產多晶硅的工廠共有10家，其中70%的產出來自于西門子法，其整個的過程可分為三大塊：

1、三氯氫硅的合成。

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反應方程如上圖。將硅粉（SI）和氯化氫（HCl）即鹽酸在300度和0.45兆帕的壓力下，經過催化合成反應生成三氯氫硅（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。

目前工業上有完善的精熘提純解決方案，一般使用5-9塔連續精熘，其所提純的三氯氫硅雜質總量在揭秘！怎樣把沙子變成99.999999999%純度的芯片原材料硅片量級，已達到半導體級純度要求，用其生產的硅不需要再經過一級物理提純。

3、三氯氫硅的氫還原反應。

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反應方程如上。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度的高純硅細棒上（通常在用于沉積的純硅細棒上通上大電流，使其達到所需的溫度），生成的多晶硅棒直徑可達到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

對于微電子工業來說，這是極其重要的一步，是從多晶到單晶，本質上就是要把硅原子由液相的隨機排列直接變為有序陣列，由不對稱結構變為對稱結構。但這種轉變是通過固液界面的移動完成的，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，硅原子就會順著籽晶的硅原子排列結構形成規則的結晶。

通過，讓籽晶一點點的旋轉上升，這時，更多的硅原子就會繼續沉積在之前的單晶層上，只要環境穩定,就可以周而復始地形成結晶,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節。當結晶加快時,晶體直徑會變粗,提高升速可以使直徑變細,提高溫度能抑制結晶速度。反之,若結晶變慢,直徑變細,則通過降低拉速和降溫進行控制。

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

硅的熔點約為 1450℃,拉晶全程始終保持在高溫負壓的環境中進行。直徑檢測必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實現。

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

整個過程看似很簡單的樣子，其實在工程上有多達13個步驟，每一步驟都涉及很多的操作細節。同時，隨著技術和工藝的迭代，在直拉法制晶的基礎上，又發展出磁場直拉法，連續加料工藝，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，一般需要對單晶硅棒進行切斷、滾圓、切片、倒角、磨片、化學腐蝕和拋光等一系列工藝，中間還要穿插不同程序的化學清洗。

下面講一講最主要的步驟：切片

切片通常使用內圓切割機和線切割機。

內圓切割機就是使用的是一種環狀刀片，中空，環狀刀片的內環邊緣用顆粒狀金剛石，將硅碇放在中間的圓環中來回動，這種環抱式的切割方法比通常的電鋸式切割要更加的穩定，但這種方法損耗大，對硅片的損傷也大。

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）的運動來達到切割的目的，這種方法產生的應力小，對硅片的損傷小，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平整度要求不高的太陽能電池上。

好了，對于半導體行業，從砂子到硅片的整個過程就大致講完了

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