半导体基石

编者按：科技如同一个神奇的魔法师，在各个领域施展着它的魔法，改变了我们的生活。本栏目介绍《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中科技领域取得的成果，包括但不限于工业制造、能源能化、生物医学等方面。向青少年读者展示我国近些年来取得的科技成就，激发青少年的科学热情。

半导体硅片，又称硅晶圆片，是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行处理，可以制成各种集成电路和半导体器件。我国在2020年成为全球最大的光伏硅片生产国，占据93.7%的市场份额。可是涉及制造芯片的半导体硅片，我国的全球市场份额骤降到5%。半导体硅片关乎着下游芯片制造、人工智能等万亿级别的市场，也成为我国被“卡脖子”的关键技术。

2023年11月，中共中央政治局会议审议了《国家安全战略》，强调高端新材料技术的生产，半导体硅片被列入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。

硅片的原料是硅，和沙滩上的沙子是同种元素。从一把沙子成为硅片，这凝结着人类科技和工业文明的智慧。

光伏硅片和半导体硅片（以下简称硅片）的主要区别在纯度。硅片纯度指硅片中杂质的含量，纯度越高，硅晶体的电子传输速度越快。光伏级的硅片纯度为99.99%～99.9999%（4N到6N），芯片级的硅片纯度为99.9999999%（9N到11N）。

硅片，顾名思义，把硅棒切成光滑的圆片。硅片需要经过一系列处理，成为成熟晶圆，成熟晶圆经过切割、封装后成为独立的芯片。然而，从硅片到成为成熟晶圆，就难倒了无数研究人员。

一根硅棒被去头去尾，留下中间的棒身，然后研究人员用四探针法测试硅棒电阻率，检测轴向的杂质浓度是否异常，检测完成后，再把硅棒切割成长度为30厘米左右的硅段。

硅段还需滚磨处理。硅段被固定在机器上缓慢滚动，一侧的金刚石砂轮不断打磨硅段，打磨过程会大量发热，需要持续加水降温。滚磨完成后，研究人员会在硅段的侧边再打磨出一个平面或者一道沟槽，作为硅片的定位槽。在后续步骤中，光刻机需要通过定位槽对硅片进行初步的定位，生产商也会在定位槽标明硅片的类型和晶向。

打磨后的硅片进入切片流程。目前，生产商大多采用线切法，把硅段固定在多线切割机，通过加入了金刚石颗粒的钢丝绳，对硅段进行多段切割。切片后的硅片需继续打磨，12英寸（30.48厘米）的硅片经过磨片，会把厚度减到775微米左右。在打磨过程中，研究人员会在硅片背面人为制造一个粗糙的背部作为晶体缺陷。在后续工艺中，金属杂质会被困在缺陷处，从而保护上层的器件。

此时的硅片会来到下一台机器：倒角机。倒角机会把硅片边缘的直角边磨成圆弧形，高纯度的硅特别脆，圆弧形边不仅能降低硅片崩裂的风险，还能消除之后步骤中的边缘沉积现象。被磨边的硅片终于走到精磨流程，硅片被放在氢硝酸或者氢氟酸的溶剂中进行化学刻蚀，腐蚀掉硅片表面的机械损伤和在打磨过程中混入的磨料杂质，通过化学刻蚀的硅片会再减少10微米左右的厚度。

此刻，研究人员得到了一片镜面般光滑的硅片，但作为半导体的硅片，它还不够光滑，因为使用硅片的对象叫作光刻机。观影时，如果电影院的幕布有一点儿不平整，就会影响观影体验。硅片相当于幕布，光刻机相当于投影仪，光刻机精度是纳米级，所以要求硅片表面是“完美的平面”。根据2004年国际半导体发展蓝图，12英寸的硅片表面平整度要低于51纳米。这就像电影院巨幕电影的幕布凹凸起伏要小于一根头发丝的直径。

研究人员一般采用化学机械抛光（简称CMP）来打磨硅片。这是结合了物理和化学的抛光方法。研究人员把硅片放置在旋转的抛光仪器上，缓缓下降。硅片表面首先被研磨液化学氧化，再被抛光垫物理打磨，打薄5微米的厚度。CMP对8英寸（20.32厘米）硅片进行单面抛光、对12英寸硅片进行双面抛光，最后得到了一枚抛光片。

抛光片还要经去离子水等化学溶剂的清洗，去除杂质，确保硅片单个颗粒物的直径在10纳米以下。要知道，流感病毒的直径都有100纳米。

除了平整度和清洁度，抛光片还需通过电镜、光学散射等各项检查，检测翘曲度、氧含量、金属残余度等各项指标。所有指标通过后，研究人员才能得到一块普通的半导体硅片。它会被封装到充满氮气的密封盒里，运送到下一家工厂。

一直以来，全球半导体硅片行业被巨头垄断，前五大提供商分别为日本信越化学、日本胜高、中国台湾环球晶圆、德国世创、韩国鲜京矽特隆。近年来，国内厂商正在加速追赶，截至2022年，我国12英寸硅片已经投产，正在计划将8英寸甚至5～6英寸（12.7～15.24厘米）的抛光硅片投产。