半导体行业之晶体生长和硅片准备（一）

在接下来的一个章节里面，我们将主要介绍用砂子制备半导体级硅的方法，以及后续如何将其转化为晶体和晶圆片(材料制备阶段)，以及如何来生产抛光晶圆的过程(晶体生长和晶圆制备)。包括对制造过程中使用的不同类型晶圆的性质，以及相关加工操作的一些详细描述。还有关于如何直径450毫米的晶体面临的一些挑战，在相关部分，详细介绍了450毫米硅片的制备方法。

更高密度和更大尺寸的芯片的发展要求交付更大直径的晶圆片。从20世纪60年代的直径为1英寸的晶圆开始，该行业经过了非常快速的发展，在2000年代已经转向300毫米(12英寸)直径的晶圆，现在的节点已经达到了450mm大小的尺寸(18-in)(如下图所示)。

为了适应不断增大的芯片尺寸，需要更大直径的晶圆来满足快速提升的需求，进而会促进成本的不断下降，推动了晶圆制造工艺不断前进(见后续章节继续讨论)。晶圆的准备方面，面临的挑战是艰巨的。在晶体生长中，结构和电气的一致性和污染防治是一大挑战。在晶圆制备中，平整度、直径控制、杂质含量和晶体完整性都是非常严峻的问题。更大的晶圆直径，需要更坚固的加工工具，最终，将实现完全自动化。

批量生产的300毫米直径的晶圆重约20磅(7.5公斤)，价值50万美元或更多。1个450mm主板的重量约为800公斤重，长210厘米。这些挑战与几乎每个参数的规格都有直接关联。要跟上这些挑战的步伐，晶圆直径的增长是微芯片持续进化的关键。然而，转换成更大直径的晶圆既昂贵又耗时。因此有些晶圆厂是否仍在使用较小的晶圆直径，(如下图所示)即便主流的工业界已经发展到更大直径的晶圆。

半导体硅的制备

半导体器件和电路是在硅片内部和表面形成的半导体材料。那些晶圆片必须被掺杂到特定电阻率水平，并且污染物水平也需要控制，生成特定的晶体结构，达到光学平整，并满足其它主机的机械洁净度规范。硅片制备阶段集成电路级硅片的制造分为四个阶段：1、将矿石转化为高纯度气体；2、将气体转化为多晶硅；3、将多晶硅转化为单晶，掺杂晶锭的制备；4、半导体制造的第一个阶段是晶圆，它们可以从地球中最多的一些沙子中提取和纯化。净化从化学反应开始。对于硅来说，它是将矿石转化成含硅气体，如四氯化硅或三氯硅烷。含硅气体随后与氢反应(如下图所示)生成半导体级硅。生产出来的硅纯度为99.9999999%，这个纯度可是说是地球上最纯净的物质了。其晶体结构称为多晶或多晶硅。

透明物质

晶体材料物质的不同之处在于它们的原子结构。在一些材料，如硅和锗，原子在整个材料中排列成一个非常重复的确定结构。这些材料叫做晶体。

原子没有确定的周期性排列的物质被称为非晶的物质，塑料是就是典型的非晶材料的例子。

审核编辑：刘清