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半導(dǎo)體材料在不斷進(jìn)化，但硅材料仍為主流。半導(dǎo)體產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中，其重要性不言而喻。半導(dǎo)體材料作為制造基礎(chǔ)，至今已發(fā)展到第三代。根據(jù)發(fā)展歷史，第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。得益于第一代半導(dǎo)體材料 應(yīng)用，集成電路產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展。第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體，以砷化鎵、磷 化銦和氮化鎵等為代表，其促成信息產(chǎn)業(yè)崛起；而第三代半導(dǎo)體材料主要包括碳化硅、氮化鎵、金剛石等，其具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等 優(yōu)點(diǎn)，成為下一代信息技術(shù)的關(guān)鍵之一。雖然半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代，但由于制 備工藝、后續(xù)加工及原料來(lái)源等因素影響，硅材料依然是主流半導(dǎo)體材料。

不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)硅純度要求有所不同。硅極少以單質(zhì)的形式存在于自然界中，但在巖石、砂礫、塵土之中其以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在。在地殼中，硅是第二豐富的元 素，其構(gòu)成地殼總質(zhì)量的 26.4%。所以，硅來(lái)源較為廣泛，在生產(chǎn)中較為容易獲取，進(jìn) 而解決硅片制備所需原料的問(wèn)題。目前，多晶硅純度從 99.9999%至 99.999999999%（6-11 個(gè) 9）不等，根據(jù)使用場(chǎng)景對(duì)于純度要求有所差異，其中太陽(yáng)能(3.340, 0.02, 0.60%)光伏級(jí)多晶硅純度要求 較低，而電子級(jí)多晶硅純度則要求較高。多晶硅經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工制造可制得單晶硅，單 晶硅是硅片上游材料。硅片在晶圓制造材料中占比最大。晶圓制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要一環(huán)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)涉 及多種材料。據(jù) SEMI,2018 年全球半導(dǎo)體材料銷(xiāo)售額達(dá)到 519 億美元，增長(zhǎng) 10.6%，其中晶圓制造材料和封裝材料的銷(xiāo)售額分別為 322 億美元和 197 億美元，同比增長(zhǎng)率分別 為 15.9%和 3.0%。根據(jù)細(xì)分產(chǎn)品銷(xiāo)售情況，2018 年硅片占晶圓制造材料市場(chǎng)比值為 38%，比重為相關(guān)材料市場(chǎng)第一位。所以，硅片作為半導(dǎo)體生產(chǎn)重要原材料之一，硅片制備技 術(shù)將對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。

半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)

根據(jù)硅片生產(chǎn)流程，首先通過(guò)提純硅氧化得到多晶硅，其后通過(guò)單晶硅生長(zhǎng)工藝得到硅片原始材料單晶錠，再通過(guò)切片、研磨、拋光等硅片制造工藝得到拋光硅片。通過(guò)對(duì)拋 光硅片進(jìn)行特殊工藝處理，可得到退火片、外延片等具備特殊性能硅片。

單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一直拉法生長(zhǎng)技術(shù)是目前較為主流長(zhǎng)晶工藝。單晶硅是由單一籽晶生長(zhǎng)的單晶體硅材料，它具有晶格完整、缺陷和雜質(zhì)很少等特點(diǎn)。根據(jù)單晶硅生長(zhǎng)方式進(jìn)行分類(lèi)，可將其分為區(qū)熔單晶硅（FZ-Si）和直拉單晶硅（CZ-Si），其中所涉及的工藝為區(qū)熔法和直拉法。相較于區(qū)熔法，直拉法能支持 12 英寸等大尺寸硅片生產(chǎn)，而區(qū)熔法則用于 8 英寸及以 下尺寸硅片生產(chǎn)。所以，直拉法是目前較為主流長(zhǎng)晶工藝。直拉法主要工藝包括多晶硅原料裝料、多晶硅融化、種晶、縮頸、放肩、等徑生長(zhǎng)和收 尾等。直拉法制備工藝是通過(guò)加熱放置于坩堝內(nèi)的多晶硅原料使其成為溶液，并通過(guò)安置在爐體上方的籽晶軸，使得單晶晶種能與硅溶液進(jìn)行接觸。通過(guò)籽晶軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下移 動(dòng)，硅液會(huì)沿著籽晶表面凝結(jié)和生長(zhǎng)，最終形成單晶錠。隨著直拉法工藝不斷深入，基 于基礎(chǔ)工藝的新工藝在持續(xù)開(kāi)發(fā)，目前已開(kāi)發(fā)出磁控直拉單晶生長(zhǎng)、連續(xù)加料直拉單晶 硅生長(zhǎng)和重裝料直拉單晶生長(zhǎng)等工藝。

在直拉單晶生長(zhǎng)過(guò)程中需要添加不同元素以滿(mǎn)足不同需求。為滿(mǎn)足不同器件制備的要 求，在晶體生長(zhǎng)時(shí)需要摻入微量電學(xué)性的雜質(zhì)（摻雜劑）。其中 P 型半導(dǎo)體，硼（B）是最常用的摻雜劑；而對(duì)于 N 型半導(dǎo)體，磷（P）、砷（As）和銻（Sb）都可以作為摻 雜劑。除摻雜劑外，一般情況下在直拉過(guò)程中需要避免雜質(zhì)引入，否則將影響單晶硅、器件的性能和質(zhì)量。由于單晶硅生長(zhǎng)情況對(duì)于硅片生產(chǎn)影響較大，所以單晶硅生長(zhǎng)技術(shù) 在硅片生產(chǎn)中是關(guān)鍵技術(shù)之一。總結(jié)：單晶錠是硅片生產(chǎn)原料，目前生產(chǎn)單晶錠以直拉法為主。在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)添加 不同的摻雜劑以制備具有不同性能的半導(dǎo)體，但需要對(duì)其他雜質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格管控，否則成 品質(zhì)量將受到影響。所以，單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)在硅片生產(chǎn)中是關(guān)鍵技術(shù)之一。從“錠”到“片”硅片制造工藝實(shí)現(xiàn)從“錠”到“片”轉(zhuǎn)換。當(dāng)完成單晶硅生長(zhǎng)工藝后，需要通過(guò)硅片制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)硅片生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)流程，單晶硅錠需要通過(guò)切斷、切片、研磨、拋光、清洗五大步驟從而得到拋光硅片。其中，通過(guò)切斷得到適合切片的晶棒；切片是將晶棒 切成具有一定厚度和平整度的硅片；研磨工藝，可去除硅片切片表面殘留的損傷層，并使硅片具有一定的幾何精度；拋光工藝，通過(guò)化學(xué)和機(jī)械作用，去除硅片表面殘留的微 缺陷和損傷層，獲得硅拋光片；硅片清洗是去除硅片表面各種沾污。通過(guò)這一系列加工 工藝后，可得到拋光硅片。通過(guò)對(duì)拋光硅片進(jìn)行特定工藝處理可得到具有特殊性能硅片。拋光硅片是目前應(yīng)用范圍 最廣、最基礎(chǔ)的硅片，以?huà)伖馄瑸榛A(chǔ)進(jìn)行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工藝是一個(gè)升溫再降溫的過(guò)程，通過(guò)將拋光片置于氫或氬氣中加熱，隨即進(jìn)入到 退火過(guò)程。與拋光片相比，其表面含氧量大幅減少，從而擁有更好的晶體完整性。外延 片通常采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，反應(yīng)原理為硅的氣態(tài)化合物在硅片表面發(fā)生反 應(yīng)，并以單晶薄膜的形態(tài)沉積在硅襯底表面。SOI 硅片具有三層結(jié)構(gòu)，自上而下分別為 頂層硅片（SOI 層）、氧化層和硅襯底；目前，氫注入剝離鍵合技術(shù)（Smart-Cut）、硅 片直接鍵合技術(shù)（SDB）和注氧隔離技術(shù)（SIMOX）是三個(gè)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的 SOI 制備技術(shù)；由于 SOI 硅片具有氧化層，從而減少硅片的寄生電容以及漏電現(xiàn)象。具有特殊性能的硅 片能滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分。