半導體集成電路產業鏈是一個龐大且復雜的系統，它連接著自基礎材料至高端科技產品的每一關鍵環節。其全球化、長鏈條、高科技、高投入及長周期的特性，使得產業鏈上各環節的企業均扮演至關重要的角色。

本期，我們將詳細介紹半導體產業鏈的重要環節：晶圓制造。

Part.01  原材料——石英礦

半導體集成電路制造的基礎原材料為硅片，而構成硅片的基本元素是硅。硅作為地球上含量第二豐富的元素，通常以二氧化硅(SiO2)的形式存在于石英中，而石英則廣泛分布于沙子之中。然而，由于天然沙子中混雜著多種礦物和雜質，其成分比例和種類因沙源和形成環境的差異而大相徑庭，故不適宜直接用作半導體硅片生產的原料。相比之下，自然界中的石英礦因其純凈度高、二氧化硅含量豐富而成為半導體硅片制造的主要來源。

石英礦原石

Part.02  電子級硅的加工生產

石英砂，源于石英礦開采，加工后轉化為電子級硅，是半導體集成電路生產中的關鍵材料。電子級硅，全稱為Electronic-Grade Silicon，簡稱EG-Si，是半導體制造領域所依賴的高純度硅材料。其純度標準極為嚴苛，通常要求硅含量超過99.9999%，即達到6N的純度水平。而對于半導體集成電路的生產，所需的則是更為精純的超高純度電子級硅，其純度標準更是高達99.9999999%～99.999999999%，相當于9N或11N的純度水平。要想加工得到電子級硅的材料，涉及多個復雜的物理和化學過程，才能實現將其中的二氧化硅(化學式：SiO2)一步步提純加工為電子級硅(化學式：Si)。

如上圖所示，高純度冶金級硅的生產過程通常在電弧爐中完成。在這一過程中，使用碳質還原劑(如石油焦和木炭)將二氧化硅還原為硅。這一基礎化學反應方程式為SiO2 + C = Si + CO2，通過這一反應，可以生產出純度達到99%以上的冶金級硅。

隨后，進入電子級硅的生產階段，需要對冶金級硅進行進一步的提純。目前主流工藝通常采用改良西門子法(也稱為三氯氫硅法)來實現這一目標。改良西門子法是一種化學工藝，首先利用純度要求在99.5%以上的冶金硅與氯化氫(HCl)合成產生便于提純的三氯氫硅氣體(SiHCl3，下文簡稱TCS)。接著，通過精餾提純TCS，最后利用還原反應和化學氣相沉積(CVD)技術，將高純度的TCS轉化為高純度的電子級硅。此時的硅以多晶硅的形態存在，與單晶硅相對應。多晶硅的純度可達到99.9999999%(9N)或更高。

至此，半導體原材料中最重要的多晶硅已經制備完成。多晶硅是由數量眾多的小硅晶體或微硅晶體構成的材料。在全球范圍內，知名的半導體電子級多晶硅生產商包括美國的HSC(Hemlock Semiconductor)、德國的瓦克化學公司(Wacker Chemie)以及韓國的OCI等。

半導體多晶硅

Part.03  半導體硅片的加工生產

多晶硅材料并不適宜直接應用于半導體集成電路的制造，原因在于其內部由眾多微小晶粒構成，這些晶粒在材料內部呈現無序排列。此種結構特性對于電子行為的影響顯著，進而對集成電路制造過程中的晶體管性能與效率產生較大干擾。因此，多晶硅材料并不適合直接用于集成電路芯片的制造流程。相對而言，單晶硅材料以其規則且單一的晶體結構，確保了晶體的均勻性與完整性，對于集成電路芯片的性能具有至關重要的作用。因此，需將多晶硅材料經過特定工藝轉化為單晶硅材料。其中，最具代表性的加工工藝為柴可拉斯基法(Czochralski Process，簡稱CZ法)，此法源于波蘭化學家揚·柴可拉斯基在1916年對金屬結晶速率的研究，后來此法在鋼鐵工業中得到了廣泛應用，并逐漸成為半導體單晶硅材料生長的主要方式。

多晶硅材料被置于石英坩堝中，通過加熱至熔融狀態。在此過程中，硼原子或磷原子的雜質原子被精確且定量地摻入熔融硅中。這一步驟使得硅轉變為對應的P型或N型硅，從而滿足半導體集成電路生產所需的材料條件。

接下來，將籽晶(亦稱為“晶種”)置于一根精確定向的棒的末端，并使其末端浸入熔融硅中。隨后，通過緩慢向上提拉棒的同時進行旋轉，以及對棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉速率等參數進行精確控制，棒的末端逐漸開始生長結晶。最終，一根具有特定直徑的圓柱狀單晶硅棒，也稱為單晶晶錠，得以完成生長。

此生產工藝中，最為核心的制造設備是半導體單晶爐。目前，主導這一核心半導體級單晶爐設備市場的主要是美國、德國、日本等國家的廠商，其中的代表性企業包括美國的Kayex、德國的PVA TePla AG以及日本的Ferrotec等。同時，值得一提的是，日本的信越化學和SUMCO不僅是全球排名前二的半導體大硅片(晶圓)生產商，它們還擁有自主研發的半導體單晶爐設備，用于自身的晶圓生產制造。相比之下，國內的廠商起步較晚，但已有一些代表性企業如晶盛機電、南京晶能、北方華創等開始在這一領域嶄露頭角。

在獲得晶錠(硅棒)后，接下來的關鍵步驟是通過精細加工將其逐漸轉化為半導體集成電路所需的硅片，業內通常稱之為晶圓(Wafer)。這一過程同樣需要遵循一系列嚴謹的生產工藝步驟，具體包括切割(Slicing)、倒角(Beveling)、研磨(Lapping)、蝕刻(Etching)、拋光(Polishing)以及清洗與檢測(清潔和檢查)等環節。只有經過這些精細的工藝流程，我們才能獲得符合半導體集成電路芯片生產要求的硅片(Polished Wafer)。在全球范圍內，知名的半導體晶圓生產商包括日本的信越化學、SUMCO，中國臺灣的環球晶圓(GlobalWafers)等。相對而言，中國大陸在大硅片晶圓領域尚處于發展階段，一些如滬硅產業、新昇半導體等企業在努力實現300毫米大晶圓(12寸晶圓)的國產化，以期在這一關鍵領域取得突破。

半導體硅棒、硅片

Part.04  關于晶圓(硅片)尺寸

關于常見的12寸晶圓、8寸晶圓等表述，實際上所指的是晶圓的直徑大小。具體而言，12寸晶圓直徑相當于12英寸(inch)，大致等同于300毫米(mm)，而8寸晶圓直徑則約為200毫米。此類尺寸標準在集成電路芯片制造領域具有廣泛應用。目前，主要的芯片制造活動集中在12寸晶圓上，因為更大的晶圓尺寸意味著更大的晶圓面積，從而提高了單片晶圓上可生產的芯片數量。然而，盡管18寸晶圓(450毫米)具有潛在的優勢，但由于整個產業鏈的投入成本、協作配合、技術挑戰以及行業共識等因素的限制，其發展一直未能取得顯著進展。

綜上所述，硅元素在半導體集成電路芯片制造中扮演著至關重要的角色，是不可或缺的基礎材料。展望未來，可預期的是，硅仍將是最常用、最核心的半導體材料。值得一提的是，硅在大自然中的儲量極為豐富，主要以富含二氧化硅的石英礦形式存在。這無疑是大自然對人類科技發展的巨大恩賜，為我們提供了源源不斷的硅資源。有鑒于此，我們有理由相信，人類科技將在硅資源的支撐下，持續實現快速而穩健的發展。