半导体材料在不断进化，但硅材料仍为主流。半导体产品被广泛应用于各类电子产品中，其重要性不言而喻。半导体材料作为制造基础，至今已发展到第三代。根据发展历史，第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。得益于第一代半导体材料 应用，集成电路产业得以快速发展。第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓、磷 化铟和氮化镓等为代表，其促成信息产业崛起；而第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，其具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等 优点，成为下一代信息技术的关键之一。虽然半导体材料已经发展到第三代，但由于制 备工艺、后续加工及原料来源等因素影响，硅材料依然是主流半导体材料。

不同应用场景对硅纯度要求有所不同。硅极少以单质的形式存在于自然界中，但在岩石、砂砾、尘土之中其以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在。在地壳中，硅是第二丰富的元 素，其构成地壳总质量的 26.4%。所以，硅来源较为广泛，在生产中较为容易获取，进 而解决硅片制备所需原料的问题。目前，多晶硅纯度从 99.9999%至 99.999999999%（6-11 个 9）不等，根据使用场景对于纯度要求有所差异，其中太阳能(3.340, 0.02, 0.60%)光伏级多晶硅纯度要求 较低，而电子级多晶硅纯度则要求较高。多晶硅经过进一步加工制造可制得单晶硅，单 晶硅是硅片上游材料。硅片在晶圆制造材料中占比最大。晶圆制造是半导体产业中重要一环，生产过程中会涉 及多种材料。据 SEMI,2018 年全球半导体材料销售额达到 519 亿美元，增长 10.6%，其中晶圆制造材料和封装材料的销售额分别为 322 亿美元和 197 亿美元，同比增长率分别 为 15.9%和 3.0%。根据细分产品销售情况，2018 年硅片占晶圆制造材料市场比值为 38%，比重为相关材料市场第一位。所以，硅片作为半导体生产重要原材料之一，硅片制备技 术将对半导体产业发展产生一定的影响。

半导体硅片生产

根据硅片生产流程，首先通过提纯硅氧化得到多晶硅，其后通过单晶硅生长工艺得到硅片原始材料单晶锭，再通过切片、研磨、抛光等硅片制造工艺得到抛光硅片。通过对抛 光硅片进行特殊工艺处理，可得到退火片、外延片等具备特殊性能硅片。

单晶硅生长技术是关键技术之一直拉法生长技术是目前较为主流长晶工艺。单晶硅是由单一籽晶生长的单晶体硅材料，它具有晶格完整、缺陷和杂质很少等特点。根据单晶硅生长方式进行分类，可将其分为区熔单晶硅（FZ-Si）和直拉单晶硅（CZ-Si），其中所涉及的工艺为区熔法和直拉法。相较于区熔法，直拉法能支持 12 英寸等大尺寸硅片生产，而区熔法则用于 8 英寸及以 下尺寸硅片生产。所以，直拉法是目前较为主流长晶工艺。直拉法主要工艺包括多晶硅原料装料、多晶硅融化、种晶、缩颈、放肩、等径生长和收 尾等。直拉法制备工艺是通过加热放置于坩埚内的多晶硅原料使其成为溶液，并通过安置在炉体上方的籽晶轴，使得单晶晶种能与硅溶液进行接触。通过籽晶轴转动和上下移 动，硅液会沿着籽晶表面凝结和生长，最终形成单晶锭。随着直拉法工艺不断深入，基 于基础工艺的新工艺在持续开发，目前已开发出磁控直拉单晶生长、连续加料直拉单晶 硅生长和重装料直拉单晶生长等工艺。

在直拉单晶生长过程中需要添加不同元素以满足不同需求。为满足不同器件制备的要 求，在晶体生长时需要掺入微量电学性的杂质（掺杂剂）。其中 P 型半导体，硼（B）是最常用的掺杂剂；而对于 N 型半导体，磷（P）、砷（As）和锑（Sb）都可以作为掺 杂剂。除掺杂剂外，一般情况下在直拉过程中需要避免杂质引入，否则将影响单晶硅、器件的性能和质量。由于单晶硅生长情况对于硅片生产影响较大，所以单晶硅生长技术 在硅片生产中是关键技术之一。总结：单晶锭是硅片生产原料，目前生产单晶锭以直拉法为主。在生产过程中通过添加 不同的掺杂剂以制备具有不同性能的半导体，但需要对其他杂质进行严格管控，否则成 品质量将受到影响。所以，单晶硅生长技术在硅片生产中是关键技术之一。从“锭”到“片”硅片制造工艺实现从“锭”到“片”转换。当完成单晶硅生长工艺后，需要通过硅片制造技术来实现硅片生产。根据生产流程，单晶硅锭需要通过切断、切片、研磨、抛光、清洗五大步骤从而得到抛光硅片。其中，通过切断得到适合切片的晶棒；切片是将晶棒 切成具有一定厚度和平整度的硅片；研磨工艺，可去除硅片切片表面残留的损伤层，并使硅片具有一定的几何精度；抛光工艺，通过化学和机械作用，去除硅片表面残留的微 缺陷和损伤层，获得硅抛光片；硅片清洗是去除硅片表面各种沾污。通过这一系列加工 工艺后，可得到抛光硅片。通过对抛光硅片进行特定工艺处理可得到具有特殊性能硅片。抛光硅片是目前应用范围 最广、最基础的硅片，以抛光片为基础进行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工艺是一个升温再降温的过程，通过将抛光片置于氢或氩气中加热，随即进入到 退火过程。与抛光片相比，其表面含氧量大幅减少，从而拥有更好的晶体完整性。外延 片通常采用化学气相沉积（CVD）技术，反应原理为硅的气态化合物在硅片表面发生反 应，并以单晶薄膜的形态沉积在硅衬底表面。SOI 硅片具有三层结构，自上而下分别为 顶层硅片（SOI 层）、氧化层和硅衬底；目前，氢注入剥离键合技术（Smart-Cut）、硅 片直接键合技术（SDB）和注氧隔离技术（SIMOX）是三个最具有竞争力的 SOI 制备技术；由于 SOI 硅片具有氧化层，从而减少硅片的寄生电容以及漏电现象。具有特殊性能的硅 片能满足不同应用场景需求，是半导体产业中不可或缺的一部分。