008 点沙成硅

！我的天，这不就是想吃西红柿炒鸡蛋还得种西红柿嘛！”

    戈登·蒂尔：【既然现在硅是芯片的主流材料，我就跟大家详细讲一下硅晶圆的制作好了。当初做“锗晶”的过程就后面几句话简单说一下。】

    观众大松饼：“对对对，我就想知道，拔丝的硅怎么就变成芯片的。”

    戈登·蒂尔：【硅在沙子中主要以二氧化硅的形式存在，所以，先要将沙子与焦炭、煤或者木屑等混合，在石墨电弧炉中高温加热，将二氧化硅还原成硅。

    这样大概能获得纯度在98%左右的多晶硅，然后再经过一些列化学过程，比如三氯氢硅法进行逐步提纯，最终得到纯度在9个9以上的电子级多晶硅。

    但用于芯片制作的硅必须是单晶硅，这两者区别在于，单晶硅的硅原子排列方向是有序的，而多晶硅不是。

    从多晶硅到单晶硅，这个时候就要用到CZ直拉法了，所谓“拉晶”。

    拉单晶工艺是硅片制作最核心的工艺步骤，它决定了硅片的质量和纯度。

    刚才说了，这里用来拉晶的多晶硅材料是9个9以上的纯度，而最终的半导体硅片纯度必须达到11个9以上，即99.999999999%。

    第一步，把多晶硅材料放在坩埚内加热熔化。

    第二步，把“晶种”放进去。所谓晶种，就是和目标晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的“种子”。用不同晶向的种子会得到不同晶向的单晶。

    所谓种什么，得什么。

    第三步，将晶种缓慢地垂直拉伸，晶体会在晶种下端生长，并随着晶种的提拉逐渐长长，形成一根“晶棒”。

    现在晶圆尺寸越做越大，从过去的2寸、4寸到8寸，为了提高良率和品质，现在又在CZ法中的核心设备CZ单晶炉中配备了磁场产生装置，用来进行温度控制。

    这种加了磁场的工艺称为MCZ法，是当下的主流技术。

    当然，现在的单晶硅制备技术除了直拉法还有FZ悬浮区熔法。

    直拉法的优点是出品的硅含氧量较高、机械强度更大，在制作电子元件过程中不易形变，且更容易做出大尺寸的硅棒。

    而且直拉法成本更低，晶体的生长速度较快。目前大概有85%的单晶硅片由CZ直拉法制成。

    但是FZ悬浮区熔法也有它的优势，这种方式做出来的单晶硅电阻率非常高，特别适合用来制作电力电子器件。比如整流器、探测器件、IGBT等高功率器件。

    另外FZ悬浮区熔法不会用到坩埚，避免了坩埚造成的污染，使得单晶硅的纯度更高，能更好满足制作功率器件的要求。

    用FZ悬浮区熔法拉出来的单晶硅尺寸主要为6寸。】

    江维补充道：【4英寸硅片产生于1986年，6英寸产生于1992年，8英寸产生于1997，12英寸产生于2005年。】

    戈登·蒂尔：【英特尔和IBM2002年建成了12英寸硅片产线，2005年就推出产品了，还是挺快的。可惜我看不到了……】

    江维：【12英寸的硅片在2005年的时候市场占比在20%左右，在2017年已经接近67%，市场还在持续扩大。

    下一个技术节点是18英寸，以英特尔和台积电等厂商为主导，相关研发专案据说已经取得了一些进展，但因为不具备生厂效益而有所搁置。

    所以，12英寸硅片还没有受到产品迭代所带来的影响，未来较长一段时间内应该会继续保持市场地位。

    另外FZ悬浮区熔法拉出来的单晶硅尺寸现在已经可以做到8寸了，不过再往上就很困难了。】

    观众最爱螺蛳粉：“等等，刚刚不还在说硅棒么，那个多少寸多少寸的，是怎么出来的？”

    江维把弹幕复制了一遍发到群里，既然科普就科普个明白呗。

    戈登·蒂尔：【微笑.gif，晶棒做出来以后，用钻石刀将单晶硅晶棒横向切割成圆片，再经过抛光后就可以得到硅晶圆。

    晶棒的直径决定了晶圆的直径，这里讲的多少英寸都是指的直径。】