深度揭秘硅片产业，巨大潜力成就半导体材料之王【附下载】| 智东西内参( 五 )
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▲CZ（直拉法）半导体硅片制造过程
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▲CZ 法拉单晶示意图
脱氧提纯：硅片制造的第一步是将石英矿石进行脱氧提纯 ， 主要工艺有分选、磁选、浮选、高温脱气等等 。 主要将矿石中的主要铁、铝杂质去除掉 。
提炼多晶硅：在得到相对较纯的 SiO2 后 ， 经过化学反应 ， 生成单晶硅 。 主要反应为 SiO2+C→Si+CO ， 反应完成后的CO直接挥发掉 ， 所以只剩下硅晶体 。 此时的硅为多晶体硅 ， 并且为粗硅 ， 含有很多杂志 。 为了过滤掉多余杂质 ， 必须将得到的粗硅进行酸洗 ， 常用的酸是盐酸（HCl）、硫酸（H2SO4）等 ， 用酸浸泡后的硅含量一般在 99.7%以上 。 在酸洗的过程中 ， 虽然将铁 ， 铝等等元素也溶于酸且过滤掉 。 但是硅也和酸反应生成 SiHCl3（三氯氢硅）或 SiCl4（四氯化硅） 。 但是这两种物质都是气态 ， 所以酸洗过后 ， 原来的铁、铝等杂质已经溶于酸 ， 但是硅已经变为气态 。 最后将高纯的气态 SiHCl3 或者 SiCl4 用氢气还原得到高纯多晶硅 。
直拉法（CZ）法生产单晶硅：硅片主要用在逻辑 ， 存储器芯片中 ， 市场占比约为 95%；直拉法最早起源于 1918 年 Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝 ， 所以又叫 CZ 法 。 这是当今生长单晶硅的主流技术 。 主要流程是在坩埚中放入多晶硅 ， 加热使之熔融 ， 然后夹住一块单晶硅的籽晶 ， 将它悬浮在坩埚之上 ， 直拉时 ， 一端插入熔体直到融化 ， 然后再缓慢旋转并向上提拉 。 这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶 。 由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程 ， 所以生成的硅晶体是单晶硅 。 另外 ， 晶圆的掺杂也是在拉单晶的过程中进行的 ， 通常有液相掺杂和气相掺杂两种 。 液相掺杂就是指在坩埚中参杂 P 型或者 N 型元素 ， 在拉单晶的过程中 ， 可以直接将这些元素拉到硅棒中 。
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▲CZ 法拉单晶的方法
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▲拉单晶之后的硅棒
直径滚磨：由于在拉单晶的过程中 ， 对于单晶硅棒的直径控制较难 ， 所以为了得到标准直径的硅棒 ， 比如 6 寸、8寸、12 寸等等 。 在拉单晶后会将硅锭直径滚磨 ， 滚磨后的硅棒表面光滑 ， 并且在尺寸误差上更小 。
切割倒角：在得到硅锭之后 ， 就进行晶圆切割 ， 将硅锭放臵在固定切割机上 ， 按照已经设定好的切割程式进行切割 。 由于硅片的厚度较小 ， 所以切割后的硅片边缘非常锋利 。 倒角的目的就是形成光滑的边缘 。 倒角后的硅片有较低的中心应力 ， 因而使之更牢固 ， 并且在以后的芯片制造中不容易碎片 。
抛光：抛光的主要目的是将晶圆的表面变得更加平滑 ， 平整无损伤 ， 并且保证每片晶圆的厚度一致性 。
测试包装：在得到抛光好的硅片后 ， 需要对硅片的电学特性进行测试 ， 比如电阻率等等参数 。 大部分硅片厂都有外延片服务 ， 如果需要外延片 ， 再进行外延片生长 。 如果不需要外延片就会打包包装 ， 运往其他外延片厂或者晶圆厂 。
区熔法（FZ）：这种方法的硅片主要用在部分功率芯片中 ， 市场占比约为 4%；用 FZ（区熔法）制作的硅片主要用作功率器件 。 并且硅片尺寸以 8 英寸 ， 6 英寸为主 ， 目前约有 15%的硅片使用区熔法制作 。 与 CZ 法制作的硅片相比 ， FZ 方法最大的特点就是电阻率相对较高 ， 纯度更高 ， 能够耐高压 ， 但是制作大尺寸晶圆较难 ， 而且机械性质较差 ， 所以常常用于功率器件硅片 ， 在集成电路中使用较少 。
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