硅晶圆制造

    硬件发烧友们都很清楚，我们心爱的电脑中最重要组成部分——各种芯片的核心是以硅元素为基础晶圆制造的，硅甚至被誉为“电之元素”，由此可见硅对电子工业的重要性。硅元素是世界上储量最丰富的元素之一，然而它对我们来说却是既熟悉又陌生，这次就和大家一起来近距离认识一下这位老朋友，然后看看究竟如何用硅制造出晶圆来。

固有特性

    众所周知，硅（旧称矽，英文名称Silicon）是一种非金属元素，位于元素周期表中第4主族，原子序数14，元素符号为Si，它的熔点为1410°C，沸点为2355°C。地壳含有的各元素中硅的含量高达26%，仅次于氧元素，硅常常以沙子或者石英等形式存在于地表及岩石中。对于芯片制造业和太阳能电池工业来说，都需要极高纯度的硅，而我们能从上述各种矿石（主要成分均为二氧化硅）中提炼出几乎完全纯净的硅。硅看起来就是下图这个样子：

半导体

    毫无疑问，硅元素的价值在于它是一种半导体——电导率介于导体和绝缘体之间，并且电导率会随着有无杂质及温度变化而显著变化的一种物质。除了硅之外，锗、硒和氧化锡等均为半导体。半导体有不同的种类，可分为空穴型半导体和电子型半导体，前者通过晶体中的空穴导电，后者和金属一样通过电子导电。

单晶硅的生产

（1）硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）
（2）上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）
（3）随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。
（4）进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化，如下图所示：

正在熔化的硅颗粒

液态硅

    为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

    这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

    以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

芯片成形

    上面生产出的硅晶棒首先经过打磨，然后用金刚石锯切成大约1毫米厚的圆片，然后再经过精细打磨、去除瑕疵的若干步骤就得到所谓的晶圆（Wafer），之后就要在晶圆上添入掺杂物以及用蚀刻法分层制造出电路，然后经过分割、打磨、测试等若干步骤，最后将芯片用塑料、陶瓷等材料进行封装并引出镀金引脚，再进行测试等若干步骤，一颗芯片就面世了。

    当然，晶圆及芯片生产具体过程中很多细节及步骤并未提及，实际生产过程中远比以上所说的复杂，因此硅晶圆成品率及直径等都是衡量一个国家科技实力的标志之一。