晶圆制备

好了，接下来，我们来看具体的制造过程。

首先，还是从最基本的晶圆制备说起。

这个，就是晶圆

我们经常说，芯片是沙子造的。其实，主要是因为沙子里面，含有大量的硅（Si）元素。

硅是地壳内第二丰富的元素，仅次于氧

沙子里有硅，但是纯度很低，而且是二氧化硅（SiO2）。我们不能随便抓一把沙子就拿来提炼硅。通常，会选用含硅量比较高的石英砂矿石。

图1：高纯石英砂矿石

第一步，脱氧、提纯。

将石英砂原料放入熔炉中，加热到1400℃以上的高温（硅的熔点为1410℃），与碳源发生化学反应，就可以生成高纯度（98%以上）的冶金级工业硅（MG-Si）。

图2：冶金级工业硅

随后，通过氯化反应和蒸馏工艺，进一步提纯，得到纯度更高的硅。

硅这个材料，不仅可以用于半导体芯片制造，也可以用于光伏行业（太阳能发电）。

在光伏行业，对硅的纯度要求是99.9999%到99.999999%，也就是4~6个9，叫（SG-Si）。

图3：光伏板

在半导体芯片行业，对硅的纯度要求更加变态，是99.9999999%到99.999999999%，也就是9~11个9。这种用于半导体制造的硅，学名电子级硅（EG-Si），平均每一百万个硅原子中最多只允许有一个杂质原子。

第二步，拉单晶硅（铸锭）

这种经过提纯之后的硅，是多晶硅。接下来，还需要把它变成单晶硅。

简单来说，单晶硅具有完美的晶体结构，有非常好的性能。多晶硅，晶粒大、不规则、缺陷多，各种性能都相对差。所以，芯片这种高端货，基本都使用单晶硅。光伏那边，可以用多晶硅。

将多晶硅变成单晶硅，目前主流的制法，是柴克拉夫斯基法（也就是直拉法）。

首先，加热熔化高纯度多晶硅，形成液态的硅。

图4：规模庞大的单晶熔炉

然后，将一条细小的单晶硅作为引子（也叫做硅种、籽晶），伸入硅溶液。

接着，缓慢地向上旋转提拉。被拉出的硅溶液，因为温度梯度下降，会凝固成固态硅柱。

在硅种的带领下，离开液面的硅原子凝固后都是“排着队”的，也就变成了排列整齐的单晶硅柱。

（注意，拉的速度不太一样。最开始，是以6mm/分钟的速度，拉出10cm左右的固态硅柱。这主要是因为，晶体刚刚形成时，会因为热冲击，晶相不稳定，容易产生晶体缺陷。拉出10cm长度之后，就可以减速了，变成缓慢提拉。）

旋转拉起的速度以及温度的控制，对晶柱品质有很大的影响。硅柱尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高。

最后，会拉出一根直径通常为30厘米，长度约1-1.5米的圆柱形硅柱。这个硅柱，就是晶棒，也叫做硅锭（呵呵，和“龟腚”、“规定”同音）。

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