半導體基石

編者按：科技如同一個神奇的魔法師，在各個領域施展著它的魔法，改變了我們的生活。本欄目介紹《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中科技領域取得的成果，包括但不限于工業(yè)制造、能源能化、生物醫(yī)學等方面。向青少年讀者展示我國近些年來取得的科技成就，激發(fā)青少年的科學熱情。

半導體硅片，又稱硅晶圓片，是制作集成電路的重要材料，通過對硅片進行處理，可以制成各種集成電路和半導體器件。我國在2020年成為全球最大的光伏硅片生產國，占據(jù)93.7%的市場份額?？墒巧婕爸圃煨酒陌雽w硅片，我國的全球市場份額驟降到5%。半導體硅片關乎著下游芯片制造、人工智能等萬億級別的市場，也成為我國被“卡脖子”的關鍵技術。

2023年11月，中共中央政治局會議審議了《國家安全戰(zhàn)略》，強調高端新材料技術的生產，半導體硅片被列入《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》。

硅片的原料是硅，和沙灘上的沙子是同種元素。從一把沙子成為硅片，這凝結著人類科技和工業(yè)文明的智慧。

光伏硅片和半導體硅片（以下簡稱硅片）的主要區(qū)別在純度。硅片純度指硅片中雜質的含量，純度越高，硅晶體的電子傳輸速度越快。光伏級的硅片純度為99.99%～99.9999%（4N到6N），芯片級的硅片純度為99.9999999%（9N到11N）。

硅片，顧名思義，把硅棒切成光滑的圓片。硅片需要經過一系列處理，成為成熟晶圓，成熟晶圓經過切割、封裝后成為獨立的芯片。然而，從硅片到成為成熟晶圓，就難倒了無數(shù)研究人員。

一根硅棒被去頭去尾，留下中間的棒身，然后研究人員用四探針法測試硅棒電阻率，檢測軸向的雜質濃度是否異常，檢測完成后，再把硅棒切割成長度為30厘米左右的硅段。

硅段還需滾磨處理。硅段被固定在機器上緩慢滾動，一側的金剛石砂輪不斷打磨硅段，打磨過程會大量發(fā)熱，需要持續(xù)加水降溫。滾磨完成后，研究人員會在硅段的側邊再打磨出一個平面或者一道溝槽，作為硅片的定位槽。在后續(xù)步驟中，光刻機需要通過定位槽對硅片進行初步的定位，生產商也會在定位槽標明硅片的類型和晶向。

打磨后的硅片進入切片流程。目前，生產商大多采用線切法，把硅段固定在多線切割機，通過加入了金剛石顆粒的鋼絲繩，對硅段進行多段切割。切片后的硅片需繼續(xù)打磨，12英寸（30.48厘米）的硅片經過磨片，會把厚度減到775微米左右。在打磨過程中，研究人員會在硅片背面人為制造一個粗糙的背部作為晶體缺陷。在后續(xù)工藝中，金屬雜質會被困在缺陷處，從而保護上層的器件。

此時的硅片會來到下一臺機器：倒角機。倒角機會把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形，高純度的硅特別脆，圓弧形邊不僅能降低硅片崩裂的風險，還能消除之后步驟中的邊緣沉積現(xiàn)象。被磨邊的硅片終于走到精磨流程，硅片被放在氫硝酸或者氫氟酸的溶劑中進行化學刻蝕，腐蝕掉硅片表面的機械損傷和在打磨過程中混入的磨料雜質，通過化學刻蝕的硅片會再減少10微米左右的厚度。

此刻，研究人員得到了一片鏡面般光滑的硅片，但作為半導體的硅片，它還不夠光滑，因為使用硅片的對象叫作光刻機。觀影時，如果電影院的幕布有一點兒不平整，就會影響觀影體驗。硅片相當于幕布，光刻機相當于投影儀，光刻機精度是納米級，所以要求硅片表面是“完美的平面”。根據(jù)2004年國際半導體發(fā)展藍圖，12英寸的硅片表面平整度要低于51納米。這就像電影院巨幕電影的幕布凹凸起伏要小于一根頭發(fā)絲的直徑。

研究人員一般采用化學機械拋光（簡稱CMP）來打磨硅片。這是結合了物理和化學的拋光方法。研究人員把硅片放置在旋轉的拋光儀器上，緩緩下降。硅片表面首先被研磨液化學氧化，再被拋光墊物理打磨，打薄5微米的厚度。CMP對8英寸（20.32厘米）硅片進行單面拋光、對12英寸硅片進行雙面拋光，最后得到了一枚拋光片。

拋光片還要經去離子水等化學溶劑的清洗，去除雜質，確保硅片單個顆粒物的直徑在10納米以下。要知道，流感病毒的直徑都有100納米。

除了平整度和清潔度，拋光片還需通過電鏡、光學散射等各項檢查，檢測翹曲度、氧含量、金屬殘余度等各項指標。所有指標通過后，研究人員才能得到一塊普通的半導體硅片。它會被封裝到充滿氮氣的密封盒里，運送到下一家工廠。

一直以來，全球半導體硅片行業(yè)被巨頭壟斷，前五大提供商分別為日本信越化學、日本勝高、中國臺灣環(huán)球晶圓、德國世創(chuàng)、韓國鮮京矽特隆。近年來，國內廠商正在加速追趕，截至2022年，我國12英寸硅片已經投產，正在計劃將8英寸甚至5～6英寸（12.7～15.24厘米）的拋光硅片投產。