制造晶片所需的材料：硅Silicon

随着科技的不断发展，智能化、信息化已经成为我们生活中不可或缺的一部分。而芯片作为电子信息产业的基础，其在电子信息产业中的重要性不言而喻。而芯片的制造过程中，硅原材料则起到了至关重要的作用。制造晶片需要硅，是芯片制造的基础原料之一，硅不仅在地球上非常丰富，因为它无毒所以对环保方面也非常优越。

半导体集成电路是指把很多元件集成在一个芯片里的电子元件，它是用来处理和存储各种功能的。而“晶圆Wafer”是指制造集成电路的基础。晶片大部分是从沙子中提取的硅，就是硅（Si）生长而成的单晶柱，然后以适当厚度将其切成圆薄片。

硅锭生长（Ingot Growth）

首 先 需 将 沙 子 加 热， 分 离 其中的一氧化碳和硅，并不断重复该过程直至获得超高纯度的电子级硅 (EG-Si)。高纯硅熔化成液体，进而再凝固成单晶固体形式，称为“锭”，这就是半导体制造的第一步。

硅锭生长是形成单晶硅的核心步骤，决定了晶圆的晶体质量和电学性能。制造方法包括直拉法与区熔法，这两种方法都涉及从高纯度硅熔池中控制硅晶体的生长。

直拉法（Czochralski Method, CZ法）

将高纯度多晶硅（纯度>99.9999999%，即9N级）放入石英坩埚，在惰性气体（如氩气）环境下加热至1420℃熔融。

将单晶硅籽晶（Seed Crystal）浸入熔融硅，缓慢旋转并向上提拉（速度约1-3mm/min），通过精确控制温度梯度，熔融硅沿籽晶的晶格方向凝固，形成单晶硅锭。适合生产大直径硅锭（主流300mm，未来450mm）。硅锭中可能含有微量氧（来自石英坩埚）和碳杂质，需后续退火处理。

区熔法（Float-Zone Method, FZ法）

利用高频线圈在多晶硅棒局部加热形成熔融区，通过移动线圈使熔区从底部向顶部移动，杂质因分凝效应被驱赶至末端，最终切除杂质集中的部分。纯度高（氧含量极低），适合制造功率半导体、探测器等高性能器件。成本高，硅锭直径较小（通常≤200mm）。

晶圆切割（Wafer Slicing）

前一个步骤完成后，需要用金刚石锯切掉铸锭的两端，再将其切割成一定厚度的薄片。锭薄片直径决定了晶圆的尺寸，更大更薄的晶圆能被分割成更多的可用单元，有助于降低生产成本。切割硅锭后需在薄片上加入“平坦区”或“凹痕”标记，方便在后续步骤中以其为标准设置加工方向。最常见的晶圆切割技术：刀片切割、激光切割和等离子切割。

刀片切割也称为机械切割，是最广泛使用的晶圆切割技术。它使用高速旋转的刀片（通常涂有金刚石颗粒等磨料），来切割半导体晶圆并分离出单个芯片。刀片安装在切割锯上，切割锯准确控制切割位置和深度，以确保按照设计的规格精确分离芯片。

● 优势：通用性和与多种半导体材料的兼容性，包括硅、锗和砷化镓。它是一种成熟且成本效益高的技术，可以相对轻松处理各种尺寸和厚度晶圆。

● 局限性：主要表现在较小和更密集芯片的切割过程中。当刀片切割晶圆时，会产生机械应力，可能导致芯片内部精细结构的碎裂、开裂或变形。

激光切割这是一种非接触式的晶圆切割技术，主要利用聚焦的激光束分离半导体晶圆上的单个芯片。高能量激光束被引导到晶圆表面，引发烧蚀/热解的过程，进而沿预定的切割线汽化或去除晶圆材料。用于切割的激光类型包括紫外（UV）激光、红外（IR）激光和飞秒激光。紫外激光因其高光子能量而被广泛使用，它能够进行精确的冷烧蚀，热影响区最小，可以减少对晶圆和周围芯片的热损伤。红外激光则因其较深的材料穿透能力，特别适用于较厚的晶圆。飞秒激光会产生极短的光脉冲，能够高效精确地去除材料，且几乎不发生热传导。

● 优势：高精度和准确性。激光束可以聚焦到非常小的点，可用于切割复杂的图案，并能够在芯片之间留下最小的间隔。这对于尺寸不断缩小的先进半导体器件非常有利。

● 局限性：对于大规模生产来说，该过程可能较慢且成本较高。

等离子切割也称等离子刻蚀或干法刻蚀，是另一种先进的晶圆切割技术，主要利用反应离子刻蚀（RIE）或深反应离子刻蚀（DRIE）来分离半导体晶圆上的单个芯片。

该技术使用等离子体（一种由带电粒子组成的电离气体）沿预定的切割线化学去除晶圆材料。在等离子切割过程中，半导体晶圆被放置在真空室中，注入受控混合的反应气体，随后施加电场使气体混合物产生高浓度反应离子和自由基的等离子体。这些活性物质与晶圆材料相互作用，利用化学反应和物理溅射相结合的方法选择性地去除材料。通过调整等离子体参数（如气体成分、压力和功率）可以控制刻蚀速率和选择性。

● 优势：减少了晶圆和芯片上的机械应力。等离子切割是一种非接触方法，不涉及任何机械力，因此碎裂、开裂或变形的风险较低，高精度和准确性。

● 局限性：过程复杂且耗时，特别是对于厚晶圆或高刻蚀阻力材料。

晶圆抛光（Wafer Polishing）

通过上述切割过程获得的薄片被称为“裸片”，即未经加工的“原料晶圆”。裸片的表面凹凸不平，无法直接在上面印制电路图形。因此，需要先通过研磨和化学刻蚀工艺去除表面瑕疵，然后通过抛光形成光洁的表面，再通过清洗去除残留污染物，即可获得表面整洁的成品晶圆。

化学机械抛光（CMP）

● 粗抛光（Lapping）：使用氧化铝或金刚石磨料去除切割损伤层（约20-50μm），表面粗糙度降至约1μm。
● 精密抛光（CMP）：抛光液：含纳米二氧化硅（SiO₂）或氧化铈（CeO₂）颗粒的碱性溶液（pH 10-11）。抛光垫：多孔聚氨酯材料，提供机械摩擦与化学腐蚀协同作用。最终表面粗糙度（Ra）<0.5nm，局部平整度（TTV）<1μm。

清洗

● 使用SC1（NH₄OH+H₂O₂+H₂O）和SC2（HCl+H₂O₂+H₂O）溶液去除颗粒和金属污染。
●超纯水（电阻率>18MΩ·cm）冲洗后氮气干燥。

检测

● 表面缺陷：激光散射检测仪（如KLA-Tencor Surfscan）识别微划痕和颗粒。
● 电阻率均匀性：四探针法测量硅片电阻分布。

晶圆制备是半导体制造的基石，其工艺精度直接影响芯片性能和良率。从单晶硅锭的完美生长到纳米级抛光表面的实现，每一步都需结合材料科学、精密机械和化学工程的尖端技术。