上期介紹了芯片的功能、半導(dǎo)體的作用以及硅的優(yōu)勢，想要制作芯片，就需要制作出純度足夠高的硅片，那么今天，我們就繼續(xù)聊聊如何制作出足夠純凈的硅片。這是一個漫長的故事，處處滲透著人類的智慧。

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01

原料提純

石英砂→硅

巧婦難為無米之炊，想要制作純凈的硅片，首先需要的就是純凈的硅原料。人們將沙子與焦炭、煤炭或木屑等進行混合，并將混合物放入石墨電弧爐中進行高溫加熱。在高于 1900℃ 的溫度下，通過各種化學(xué)反應(yīng)將石英砂還原成硅。其中，主要化學(xué)反應(yīng)為如下兩種：

SiO2+C=Si+CO2 ↑

SiO
2+2 C=Si+2 CO ↑

石英砂，圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

看上去似乎并不難，只需幾步化學(xué)反應(yīng)就制作出了純硅。但其實此時硅的純度最高只能達到 98%，距離成為硅片原料還存在很大的差距，需要進一步提純。

液化提純

在提純工藝中，最常用的方法之一就是液化，這是因為液體提純相較于固體而言，要容易很多，方法也更多。因此，下一步就是對粗硅經(jīng)過氯化處理，從而形成諸如四氯化硅（SiCl4）或三氯氫硅（SiHCl3）等的氯化物，而這兩種化合物在室溫條件下恰好是液體。

四氯化硅或三氯氫硅通過多重蒸餾和其他液體提純后，可得到超純度的氯化物溶液。最后，通過化學(xué)方法對高純度的氯化物進行還原，我們就能夠得到純度在 99.9999999% 以上的芯片級多晶硅。

SiCl4+2 H2→4 HCl+Si

高純度多晶硅，圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

制作硅原料的過程到這里就結(jié)束了嗎？并非如此！雖然制備出了高純度的多晶硅，但用于制造芯片的硅必須是單晶硅。雖然二者只相差一個字，但它們在內(nèi)部原子排列上存在天壤之別：單晶硅的晶體框架結(jié)構(gòu)是均勻的，硅原子排列有序；多晶硅的硅原子排列則是無序的。

單晶硅（左）和多晶硅（右）示意圖，制圖：王智豪

這就好比工人鋪設(shè)柏油路時，在澆筑最上層的瀝青之前，要先用土將地鋪平、夯實基礎(chǔ)。如果地基不夠平，上層的柏油路就會出現(xiàn)坑洼或者裂縫。硅片也是如此，倘若硅片的結(jié)構(gòu)無序，即存在晶格缺陷，那么在摻雜后，不同部分的電特性會出現(xiàn)很大差別，上層的邏輯電路也會出現(xiàn)很大的瑕疵。因此，制作芯片必須選擇單晶硅。

02

從多晶硅到單晶硅

如何將多晶硅變成單晶硅呢？這就需要特殊的工藝。

最常用的將多晶硅變成單晶硅的工藝就是直拉單晶制造法（后簡稱 CZ 直拉法）。直拉指的是將硅從“巖漿”中直接拉出硅棒，它是硅片制作最核心的工藝步驟，決定著硅片的質(zhì)量和純度。

第一步：融化超高純度多晶硅

CZ 直拉法的第一步，把超高純度的多晶硅材料放在坩堝中，在一個封閉的熱場內(nèi)加熱到 1420℃，將多晶硅熔化。

多晶硅熔化，圖片來源：Silicon Wafer Production 模擬動畫

第二步：放入“晶種”

所謂晶種，指的是和目標晶體相同的小晶體，也即生長出的硅棒的種子，這里指的是一小塊的高純度單晶硅。晶種是硅棒的“孩子”，通常來自于質(zhì)量好的硅棒的部分。說到這里，可能你會好奇，世界上第一塊晶種是怎么來的呢？是先有的晶種還是先有的硅棒呢？

這就好比“雞生蛋、蛋生雞”的問題，但回答這個問題更容易一些。在不考慮成本的實驗室中，能夠輕松地獲得高純度晶種，一般實驗室中則可以通過化學(xué)氣相技術(shù)等方法來獲得超高純度的單晶硅，因此在晶種和硅棒誰先出現(xiàn)的這個問題中，是先有的“蛋”。

放入晶種，圖片來源：Silicon Wafer Production 模擬動畫

第三步：拉出并旋轉(zhuǎn)

回到 CZ 直拉法的第三步，將晶種緩慢地垂直拉出“巖漿”并旋轉(zhuǎn)，晶體會在晶種下端生長，并隨著晶種的提拉逐漸長大，形成一根晶棒。生長的晶體和晶種的性質(zhì)一樣，均為單晶硅。

垂直拉伸，形成晶棒，圖片來源：Silicon Wafer Production 模擬動畫

這方法聽上去似乎很簡單，但實際情況卻比想象中要困難得多。為了制備均勻性極高的硅棒，這一大鍋像巖漿一樣的硅“漿糊”需要一直控制在穩(wěn)定的溫度下。同時，硅棒提拉和旋轉(zhuǎn)速度也要求極其穩(wěn)定。此外，整個拉晶過程始終需要在高溫負壓的環(huán)境中進行。

如今，晶圓直徑越來越大，從之前的 4 英寸（1 英寸=2.54 厘米），到現(xiàn)在的 12 英寸，甚至是未來的 18 英寸，人們追求著更大的直徑。這是由于硅片的直徑越大，由同一片硅片制造出來的芯片就越多，也就相應(yīng)降低了成本。

然而，硅片直徑的增加代表著制造難度的指數(shù)上升。首先，硅片對應(yīng)的晶棒的直徑要求更粗，因此用來加熱的熱場尺寸也必須相應(yīng)增大，此時巖漿的對流也會更加復(fù)雜。同時，固液界面溫度梯度以及氧濃度分布變得難以控制，這意味著對拉晶的控制要求也更加復(fù)雜。

圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

不過，聰明的人們通過在傳統(tǒng) CZ 裝置系統(tǒng)上外加一個磁場，完美解決了這些問題。由于熔融硅能夠?qū)щ?，因此它會受到磁場和流動相互作用所產(chǎn)生的力，從而能夠改變“巖漿”的對流。此外，在適合的磁場分布下，晶體的生長過程還能減少氧、硼、鋁等雜質(zhì)經(jīng)坩堝進入硅熔體，從而制備出氧含量可控及均勻性更好的高電阻率硅棒。

這種在傳統(tǒng) CZ 直拉法基礎(chǔ)上，添加磁場裝置的加工方法被稱為磁控直拉單晶制造法（后簡稱：MCZ 法），這些定制優(yōu)勢也使其成為當(dāng)下主流的工藝技術(shù)。MCZ 法隨著所加磁場的不同又可以分為縱向磁場法、橫向磁場法和尖點磁場法，顧名思義就是指所施加磁場的方向不同，它們可以實現(xiàn)不同的功能、具有不同特性。

縱向磁場法、橫向磁場法、尖點磁場法示意圖

（圖片來源：Global Wafers Japan）

晶棒的拉制過程屬于復(fù)雜的系統(tǒng)性控制工藝，有著很高的技術(shù)難度，需要長時間的經(jīng)驗積累和優(yōu)化。目前，單晶硅制備技術(shù)除 CZ 法外，還有懸浮區(qū)熔法（后簡稱：FZ 法）。懸浮區(qū)熔法是利用熱能在棒料的一端產(chǎn)生熔區(qū)，再熔接晶種。通過調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根和晶種同向的單晶。

CZ 法和 FZ 法各有利弊：

直拉法的優(yōu)點是制作的硅含氧量較高、機械強度更大，而且更容易做出大尺寸的硅棒。同時，直拉法成本更低，晶體的生長速度更快。因此現(xiàn)在約有 85% 的單晶硅片都采用直拉法制備。

但是，F(xiàn)Z 法也有其自身的優(yōu)勢。例如，通過 FZ 法制備出來的單晶硅電阻率非常高，特別適合于如探測器、整流器等高功率器件。此外，由于FZ懸浮區(qū)熔法避免了由坩堝所造成的污染，能夠使單晶硅的純度更高。但其缺陷在于做出來的硅棒尺寸較小，最大只有 8 英寸，很難做的更大。

FZ 法示意圖，圖片來源：Global Wafers Japan

完成了以上的制作工序后，我們終于獲得了幾乎純凈的硅棒。接下來進入下一步的加工環(huán)節(jié)。

03

硅棒切割、磨片

硅棒接下來會被掐頭去尾，質(zhì)量好的硅棒會被切削成“晶種”下次生長繼續(xù)使用。由于直拉出來的硅棒并不是完美的圓柱體，因此剩余的硅棒會被切成合適的大小，放入機器中慢慢滾動打磨側(cè)面，以形成所需要的半徑和形狀。

硅棒的切削，圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

接下來，將磨好的硅棒切成片。以前切硅棒就像在家切羊肉片，一刀一片，雖然切面平整但是效率太低。如今人們更多地使用金剛線的多線切割機，每次切的片數(shù)和金剛線的數(shù)量掛鉤。雖然切面沒有之前的內(nèi)圓切割機平整，但勝在高效。

多線切割，圖片來源：Global Wafers Japan

切下來的硅片會經(jīng)過一次機械打磨以使其表面更加平整，某些硅片還需要做一個粗糙的背部，這是為了人為制造缺陷，以便將后續(xù)工藝中所摻入的雜質(zhì)困在背部，保護器件。此外，還需要將硅片邊緣打磨成圓弧形，防止邊緣崩裂以及方便后續(xù)光刻。

經(jīng)過打磨后，將其放入硝酸或者氫氟酸中進行化學(xué)刻蝕，以去除之前打磨過程中硅片積累的機械損傷以及混入硅片表層的磨料。

打磨和刻蝕等一系列過程結(jié)束后，硅片的表面已經(jīng)如鏡面一般光滑，但是對于制造芯片來說，仍然不夠。

研磨與蝕刻，圖片來源：Global Wafers Japan

04

硅片拋光、清洗

盡管此時的硅片表面已如鏡片般光滑，但還需要對其進行化學(xué)機械拋光，這一步驟結(jié)合了物理和化學(xué)的拋光手段。先將硅片裝在旋轉(zhuǎn)的拋光儀器上，它表面薄層會先被研磨液化學(xué)氧化，再被拋光墊物理打磨，直到硅片被拋光成近乎完美的鏡面。

化學(xué)機械拋光與清潔，圖片來源：Global Wafers Japan

經(jīng)過這個步驟后，硅片平整度會達到非常高的程度，12 英寸的硅片要求平整度控制在 51 納米以內(nèi)?？赡艽蟛糠秩藢@個平整度并不了解，但如果我們將其放大數(shù)百萬倍，這就相當(dāng)于在以北京到上海的距離為直徑的圓內(nèi)，其最大起伏不超過 25 厘米。

此后，還需要用去離子水和各種化學(xué)溶劑對硅片進行清洗，以去除制程中黏附在硅片表面的各種塵埃和雜質(zhì)。這些顆粒物會影響到芯片制造流程，易造成器件的短路或開路。

圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

最后，要對硅片進行檢測，一方面要保證關(guān)鍵性的晶圓平整度和表面清潔度（無顆粒），另一方面還要保證翹曲度、氧含量、金屬殘余量等指標達標，以確保晶圓的質(zhì)量。經(jīng)過電鏡檢查、光學(xué)散射等各種檢測達標后，硅片被放入干凈的運輸箱中，并密封在特殊的防潮袋里，安安穩(wěn)穩(wěn)地送入下一家工廠進行其他流程。

看到這里，大家可能會松一口氣。硅片的制備流程終于結(jié)束了很。但可惜，這只是造出了白紙，硅片上還需要經(jīng)過光刻、外延、刻蝕等一系列操作，才能變成包含數(shù)百枚芯片的晶圓。然后再經(jīng)過切割、封裝，才能成為一個個獨立的芯片進入市場。

你可能會感到震驚，一個看似不起眼的硅片，居然存在如此復(fù)雜的制造工藝。但同時你可能也會好奇，我國在硅片制造的技術(shù)發(fā)展如何呢？我國硅片產(chǎn)業(yè)占比如何？請聽下回分解。

出品｜科普中國

作者｜王智豪（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所）

監(jiān)制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學(xué)院計算機信息網(wǎng)絡(luò)中心

本文封面圖片及文內(nèi)圖片來自版權(quán)圖庫

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