怎样把沙子变成99.999999999%纯度的芯片原材料硅片

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

高纯度的单晶硅片是制造各种芯片的基础材料，半导体级硅的纯度极高，通常要达到99.9....%(小数点后面7至9个9，甚至是12个9），且为单晶，即硅原子晶格统一朝向。

当然这里所说的纯度一般是仅考虑不含金属杂质的纯度，不包括氧、碳等杂质。

如果你关注芯片比较多的话，应该知道这些纯度极高的单晶硅片是从砂子制造而来的，今天我们就来看下具体的制造过程。讲的是正儿八经的工业硅生产流程，这样就排除了一些形形色色的小众方法了。

第一步：从砂子到粗硅（碳热还原反应）

通常是在石墨电弧炉中进行，将石英岩（或沙子）与焦炭、煤及木屑等混合，加热到1500到2000摄氏度时进行碳热还原反应。

具体的反应式如上图，这一步制造的硅被称为冶金硅，其纯度可以达到 96-99%。冶金硅的主要用途主要用于铝合金和有机硅工业，其纯度还达不到半导体级别硅的标准，需要进一步的提纯。

当然，上面的反应方程式是一个总体的过程，实际上在石墨电弧炉发生了复杂的热化学反应，如上图，反应的过程中还产生了碳化硅，一氧化硅等中间物。

大型企业一般采用的是大容量电炉，原料准备、配料、加料、电机压放等机械自动化程度高，并具备独立的烟气净化系统。上图是工业硅的生产工艺流程。

第二步：从粗硅到高纯度多晶硅

这一步实现的方法有很多，总的来说，都要先将粗硅制成卤化物或氢化物来进行提纯，而后再变成高纯度的硅。

现有的方法主要包括：三氯氢硅还原法、硅烷热分解法、流化床法、冶金法。目前在工业上规模生产的主要方法是三氯氢硅还原法。

整个的工业化流程如上图所示，最早由西门子公司发明，所以又被称为西门子法。目前全世界生产多晶硅的工厂共有10家，其中70%的产出来自于西门子法，其整个的过程可分为三大块：

1、三氯氢硅的合成。

反应方程如上图。将硅粉（SI）和氯化氢（HCl）即盐酸在300度和0.45兆帕的压力下，经过催化合成反应生成三氯氢硅（又被称为三氯硅烷或硅氯仿），这一过程被称为氯化粗硅。

2、三氯氢硅的纯化。

目前工业上有完善的精熘提纯解决方案，一般使用5-9塔连续精熘，其所提纯的三氯氢硅杂质总量在

量级，已达到半导体级纯度要求，用其生产的硅不需要再经过一级物理提纯。

3、三氯氢硅的氢还原反应。

反应方程如上。使用氢气作为还原剂，将氢通入三氯氢硅液体中鼓泡，使高纯硅沉积在1100-1200度的高纯硅细棒上（通常在用于沉积的纯硅细棒上通上大电流，使其达到所需的温度），生成的多晶硅棒直径可达到15-20厘米。用于还原的氢气必须也是高纯度的。

第三步：从高纯度多晶硅到高纯度单晶硅

对于微电子工业来说，这是极其重要的一步，是从多晶到单晶，本质上就是要把硅原子由液相的随机排列直接变为有序阵列，由不对称结构变为对称结构。但这种转变是通过固液界面的移动完成的，这种要求决定了单晶硅是从熔融的多晶硅中生长出来的，应用最广泛的便是坩埚直拉法。这种方法又被称为切克劳斯基法，由其在1917年建立的晶体生长方法，简称CZ法，

其基本过程是这样的：

首先将多晶硅块和掺杂剂放入单晶炉中的石英坩埚中，使其温度保持在1420摄氏度以上。

然后，将一根直径很细的（通常只有1CM）的单晶硅棒（称之为籽晶）放入其中，通过控制好温度，在熔融的多晶硅液体和单晶硅棒固液交界面上，硅原子就会顺着籽晶的硅原子排列结构形成规则的结晶。

通过，让籽晶一点点的旋转上升，这时，更多的硅原子就会继续沉积在之前的单晶层上，只要环境稳定,就可以周而复始地形成结晶,最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体。即硅单晶锭。

控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。当结晶加快时,晶体直径会变粗,提高升速可以使直径变细,提高温度能抑制结晶速度。反之,若结晶变慢,直径变细,则通过降低拉速和降温进行控制。

拉晶开始,先引出一直径为 3～5 mm 的细颈,以消除结晶位错,这个过程称为引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求,进人等径阶段,直至大部分硅融液都结晶成单晶锭,只剩下少量剩料。

硅的熔点约为 1450℃,拉晶全程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。

拉晶过程中,固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环,亮度很高,称为光圈。光圈其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时,光圈直径变大,反之则变小。通过对光圈直径变化的检测,可以反映出单晶直径的变化情况。

整个过程看似很简单的样子，其实在工程上有多达13个步骤，每一步骤都涉及很多的操作细节。同时，随着技术和工艺的迭代，在直拉法制晶的基础上，又发展出磁场直拉法，连续加料工艺，这里就不再赘述了。

第四步：从高纯度硅单晶锭到单晶硅片

简单来说就是将单晶硅锭切成一片片的硅片。

半导体所用硅片和太阳能电池板所用的硅片其加工程序稍有不同，一般需要对单晶硅棒进行切断、滚圆、切片、倒角、磨片、化学腐蚀和抛光等一系列工艺，中间还要穿插不同程序的化学清洗。

下面讲一讲最主要的步骤：切片

切片通常使用内圆切割机和线切割机。

内圆切割机就是使用的是一种环状刀片，中空，环状刀片的内环边缘用颗粒状金刚石，将硅碇放在中间的圆环中来回动，这种环抱式的切割方法比通常的电锯式切割要更加的稳定，但这种方法损耗大，对硅片的损伤也大。

另一种方法是线切割，通过粘有金刚石的金属丝（直径在180微米左右）的运动来达到切割的目的，这种方法产生的应力小，对硅片的损伤小，但切割生成的硅片平整度稍差（有大的起伏），把以线切割通常主要用作对平整度要求不高的太阳能电池上。

好了，到这里，目前主流的工业化流程大致讲完了。欢迎点赞关注“科学剃刀”！

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