产业观察丨芯片的诞生，晶圆是如何从“沙子”炼成的？

半导体集成电路产业链是一个庞大且复杂的系统，它连接着自基础材料至高端科技产品的每一关键环节。其全球化、长链条、高科技、高投入及长周期的特性，使得产业链上各环节的企业均扮演至关重要的角色。

本期，我们将详细介绍半导体产业链的重要环节：晶圆制造。

Part.01  原材料——石英矿

半导体集成电路制造的基础原材料为硅片，而构成硅片的基本元素是硅。硅作为地球上含量第二丰富的元素，通常以二氧化硅(SiO2)的形式存在于石英中，而石英则广泛分布于沙子之中。然而，由于天然沙子中混杂着多种矿物和杂质，其成分比例和种类因沙源和形成环境的差异而大相径庭，故不适宜直接用作半导体硅片生产的原料。相比之下，自然界中的石英矿因其纯净度高、二氧化硅含量丰富而成为半导体硅片制造的主要来源。

石英矿原石

Part.02  电子级硅的加工生产

石英砂，源于石英矿开采，加工后转化为电子级硅，是半导体集成电路生产中的关键材料。电子级硅，全称为Electronic-Grade Silicon，简称EG-Si，是半导体制造领域所依赖的高纯度硅材料。其纯度标准极为严苛，通常要求硅含量超过99.9999%，即达到6N的纯度水平。而对于半导体集成电路的生产，所需的则是更为精纯的超高纯度电子级硅，其纯度标准更是高达99.9999999%～99.999999999%，相当于9N或11N的纯度水平。要想加工得到电子级硅的材料，涉及多个复杂的物理和化学过程，才能实现将其中的二氧化硅(化学式：SiO2)一步步提纯加工为电子级硅(化学式：Si)。

如上图所示，高纯度冶金级硅的生产过程通常在电弧炉中完成。在这一过程中，使用碳质还原剂(如石油焦和木炭)将二氧化硅还原为硅。这一基础化学反应方程式为SiO2 + C = Si + CO2，通过这一反应，可以生产出纯度达到99%以上的冶金级硅。

随后，进入电子级硅的生产阶段，需要对冶金级硅进行进一步的提纯。目前主流工艺通常采用改良西门子法(也称为三氯氢硅法)来实现这一目标。改良西门子法是一种化学工艺，首先利用纯度要求在99.5%以上的冶金硅与氯化氢(HCl)合成产生便于提纯的三氯氢硅气体(SiHCl3，下文简称TCS)。接着，通过精馏提纯TCS，最后利用还原反应和化学气相沉积(CVD)技术，将高纯度的TCS转化为高纯度的电子级硅。此时的硅以多晶硅的形态存在，与单晶硅相对应。多晶硅的纯度可达到99.9999999%(9N)或更高。

至此，半导体原材料中最重要的多晶硅已经制备完成。多晶硅是由数量众多的小硅晶体或微硅晶体构成的材料。在全球范围内，知名的半导体电子级多晶硅生产商包括美国的HSC(Hemlock Semiconductor)、德国的瓦克化学公司(Wacker Chemie)以及韩国的OCI等。

半导体多晶硅

Part.03  半导体硅片的加工生产

多晶硅材料并不适宜直接应用于半导体集成电路的制造，原因在于其内部由众多微小晶粒构成，这些晶粒在材料内部呈现无序排列。此种结构特性对于电子行为的影响显著，进而对集成电路制造过程中的晶体管性能与效率产生较大干扰。因此，多晶硅材料并不适合直接用于集成电路芯片的制造流程。相对而言，单晶硅材料以其规则且单一的晶体结构，确保了晶体的均匀性与完整性，对于集成电路芯片的性能具有至关重要的作用。因此，需将多晶硅材料经过特定工艺转化为单晶硅材料。其中，最具代表性的加工工艺为柴可拉斯基法(Czochralski Process，简称CZ法)，此法源于波兰化学家扬·柴可拉斯基在1916年对金属结晶速率的研究，后来此法在钢铁工业中得到了广泛应用，并逐渐成为半导体单晶硅材料生长的主要方式。

多晶硅材料被置于石英坩埚中，通过加热至熔融状态。在此过程中，硼原子或磷原子的杂质原子被精确且定量地掺入熔融硅中。这一步骤使得硅转变为对应的P型或N型硅，从而满足半导体集成电路生产所需的材料条件。

接下来，将籽晶(亦称为“晶种”)置于一根精确定向的棒的末端，并使其末端浸入熔融硅中。随后，通过缓慢向上提拉棒的同时进行旋转，以及对棒的温度梯度、提拉速率、旋转速率等参数进行精确控制，棒的末端逐渐开始生长结晶。最终，一根具有特定直径的圆柱状单晶硅棒，也称为单晶晶锭，得以完成生长。

此生产工艺中，最为核心的制造设备是半导体单晶炉。目前，主导这一核心半导体级单晶炉设备市场的主要是美国、德国、日本等国家的厂商，其中的代表性企业包括美国的Kayex、德国的PVA TePla AG以及日本的Ferrotec等。同时，值得一提的是，日本的信越化学和SUMCO不仅是全球排名前二的半导体大硅片(晶圆)生产商，它们还拥有自主研发的半导体单晶炉设备，用于自身的晶圆生产制造。相比之下，国内的厂商起步较晚，但已有一些代表性企业如晶盛机电、南京晶能、北方华创等开始在这一领域崭露头角。

在获得晶锭(硅棒)后，接下来的关键步骤是通过精细加工将其逐渐转化为半导体集成电路所需的硅片，业内通常称之为晶圆(Wafer)。这一过程同样需要遵循一系列严谨的生产工艺步骤，具体包括切割(Slicing)、倒角(Beveling)、研磨(Lapping)、蚀刻(Etching)、抛光(Polishing)以及清洗与检测(清洁和检查)等环节。只有经过这些精细的工艺流程，我们才能获得符合半导体集成电路芯片生产要求的硅片(Polished Wafer)。在全球范围内，知名的半导体晶圆生产商包括日本的信越化学、SUMCO，中国台湾的环球晶圆(GlobalWafers)等。相对而言，中国大陆在大硅片晶圆领域尚处于发展阶段，一些如沪硅产业、新昇半导体等企业在努力实现300毫米大晶圆(12寸晶圆)的国产化，以期在这一关键领域取得突破。

半导体硅棒、硅片

Part.04  关于晶圆(硅片)尺寸

关于常见的12寸晶圆、8寸晶圆等表述，实际上所指的是晶圆的直径大小。具体而言，12寸晶圆直径相当于12英寸(inch)，大致等同于300毫米(mm)，而8寸晶圆直径则约为200毫米。此类尺寸标准在集成电路芯片制造领域具有广泛应用。目前，主要的芯片制造活动集中在12寸晶圆上，因为更大的晶圆尺寸意味着更大的晶圆面积，从而提高了单片晶圆上可生产的芯片数量。然而，尽管18寸晶圆(450毫米)具有潜在的优势，但由于整个产业链的投入成本、协作配合、技术挑战以及行业共识等因素的限制，其发展一直未能取得显著进展。

综上所述，硅元素在半导体集成电路芯片制造中扮演着至关重要的角色，是不可或缺的基础材料。展望未来，可预期的是，硅仍将是最常用、最核心的半导体材料。值得一提的是，硅在大自然中的储量极为丰富，主要以富含二氧化硅的石英矿形式存在。这无疑是大自然对人类科技发展的巨大恩赐，为我们提供了源源不断的硅资源。有鉴于此，我们有理由相信，人类科技将在硅资源的支撑下，持续实现快速而稳健的发展。