手機(jī)很“高級(jí)”？其實(shí)最重要的部分都是用沙子做的→→→

上期介紹了芯片的功能、半導(dǎo)體的作用以及硅的優(yōu)勢(shì)，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(gè)漫長(zhǎng)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(jìn)行混合，并將混合物放入石墨電弧爐中進(jìn)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(kù)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(shí)此時(shí)硅的純度最高只能達(dá)到 98%，距離成為硅片原料還存在很大的差距，需要進(jìn)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?yàn)橐后w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(duì)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(duì)高純度的氯化物進(jìn)行還原，我們就能夠得到純度在 99.9999999% 以上的芯片級(jí)多晶硅。

SiCl4+2 H2→4 HCl+Si

高純度多晶硅，圖庫(kù)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(gè)字，但它們?cè)趦?nèi)部原子排列上存在天壤之別：?jiǎn)尉Ч璧木w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(shí)，在澆筑最上層的瀝青之前，要先用土將地鋪平、夯實(shí)基礎(chǔ)。如果地基不夠平，上層的柏油路就會(huì)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(huì)出現(xiàn)很大差別，上層的邏輯電路也會(huì)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(jiǎn)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(gè)封閉的熱場(chǎng)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(dòng)畫

第二步：放入“晶種”

所謂晶種，指的是和目標(biāo)晶體相同的小晶體，也即生長(zhǎng)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(huì)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(gè)問題更容易一些。在不考慮成本的實(shí)驗(yàn)室中，能夠輕松地獲得高純度晶種，一般實(shí)驗(yàn)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(shuí)先出現(xiàn)的這個(gè)問題中，是先有的“蛋”。

放入晶種，圖片來源：Silicon Wafer Production 模擬動(dòng)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(huì)在晶種下端生長(zhǎng)，并隨著晶種的提拉逐漸長(zhǎng)大，形成一根晶棒。生長(zhǎng)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(dòng)畫

這方法聽上去似乎很簡(jiǎn)單，但實(shí)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(shí)，硅棒提拉和旋轉(zhuǎn)速度也要求極其穩(wěn)定。此外，整個(gè)拉晶過程始終需要在高溫負(fù)壓的環(huán)境中進(jìn)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(duì)應(yīng)的晶棒的直徑要求更粗，因此用來加熱的熱場(chǎng)尺寸也必須相應(yīng)增大，此時(shí)巖漿的對(duì)流也會(huì)更加復(fù)雜。同時(shí)，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(duì)拉晶的控制要求也更加復(fù)雜。

圖庫(kù)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(gè)磁場(chǎng)，完美解決了這些問題。由于熔融硅能夠?qū)щ姡虼怂鼤?huì)受到磁場(chǎng)和流動(dòng)相互作用所產(chǎn)生的力，從而能夠改變“巖漿”的對(duì)流。此外，在適合的磁場(chǎng)分布下，晶體的生長(zhǎng)過程還能減少氧、硼、鋁等雜質(zhì)經(jīng)坩堝進(jìn)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(chǎng)裝置的加工方法被稱為磁控直拉單晶制造法（后簡(jiǎn)稱：MCZ 法），這些定制優(yōu)勢(shì)也使其成為當(dāng)下主流的工藝技術(shù)。MCZ 法隨著所加磁場(chǎng)的不同又可以分為縱向磁場(chǎng)法、橫向磁場(chǎng)法和尖點(diǎn)磁場(chǎng)法，顧名思義就是指所施加磁場(chǎng)的方向不同，它們可以實(shí)現(xiàn)不同的功能、具有不同特性。

縱向磁場(chǎng)法、橫向磁場(chǎng)法、尖點(diǎn)磁場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)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(dòng)，通過整根棒料，生長(zhǎng)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(diǎn)是制作的硅含氧量較高、機(jī)械強(qiáng)度更大，而且更容易做出大尺寸的硅棒。同時(shí)，直拉法成本更低，晶體的生長(zhǎng)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(shì)。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(cè)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(jìn)入下一步的加工環(huán)節(jié)。

03

硅棒切割、磨片

硅棒接下來會(huì)被掐頭去尾，質(zhì)量好的硅棒會(huì)被切削成“晶種”下次生長(zhǎng)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(huì)被切成合適的大小，放入機(jī)器中慢慢滾動(dòng)打磨側(cè)面，以形成所需要的半徑和形狀。

硅棒的切削，圖庫(kù)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(jī)，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(jī)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(huì)經(jīng)過一次機(jī)械打磨以使其表面更加平整，某些硅片還需要做一個(gè)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(hù)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(jìn)行化學(xué)刻蝕，以去除之前打磨過程中硅片積累的機(jī)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(duì)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(shí)的硅片表面已如鏡片般光滑，但還需要對(duì)其進(jìn)行化學(xué)機(jī)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(huì)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(jī)械拋光與清潔，圖片來源：Global Wafers Japan

經(jīng)過這個(gè)步驟后，硅片平整度會(huì)達(dá)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)。可能大部分人對(duì)這個(gè)平整度并不了解，但如果我們將其放大數(shù)百萬(wàn)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(duì)硅片進(jìn)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(huì)影響到芯片制造流程，易造成器件的短路或開路。

圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

最后，要對(duì)硅片進(jìn)行檢測(cè)，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(biāo)達(dá)標(biāo)，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(cè)達(dá)標(biāo)后，硅片被放入干凈的運(yùn)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(jìn)行其他流程。

看到這里，大家可能會(huì)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(gè)個(gè)獨(dú)立的芯片進(jìn)入市場(chǎng)。

你可能會(huì)感到震驚，一個(gè)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(shí)你可能也會(huì)好奇，我國(guó)在硅片制造的技術(shù)發(fā)展如何呢？我國(guó)硅片產(chǎn)業(yè)占比如何？請(qǐng)聽下回分解。

出品｜科普中國(guó)

作者｜王智豪（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）

監(jiān)制｜中國(guó)科普博覽

選送單位：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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