第140章 硅晶圆（2/2）

芯片制造需要纯度高达九个九的单晶硅，从沙子到这样高纯度的单晶硅，需要两次大的化学提纯过程。

原材料并不是普通的河沙或者海沙，而是选取二氧化硅含量超过百分之九十的高纯石英矿石，经过破碎、酸洗、浮选等工艺去除铁、铝、钛等大部分杂质，最终提取二氧化硅纯度达到四个九的石英砂，才能成为基础原材料。

有了符合要求的石英砂原料后，开始第一次提纯过程，将石英砂与碳原料混合置入电弧炉加热，当温度达到一千八百度时，熔融状态的二氧化硅与木炭发生化学还原反应，氧原子与碳元素结合，变成一氧化碳气体，硅元素提纯出来，冷却后生成纯度百分之九十九的冶金级硅块。

进入第二次提纯过程后，两个九纯度的硅原料需要与氯化氢发生化学反应，生成液态的三氯氢硅，原料中的硼、磷等微量杂质在此过程中溶解并分离。

通过多次蒸馏将三氯氢硅的纯度提升至九个九的纯度以上，每次蒸馏可去除特定沸点的杂质元素。

达到纯度要求的三氯氢硅置入反应炉加热至一千一百度，高纯度的三氯氢硅与氢气发生还原反应，变成更多的氢气和氯化氢气体，硅原子沉积在硅芯上形成多晶硅棒，这时候的硅晶体要达到九个九以上的纯度才算合格。

多晶硅还不能用来直接制造芯片，还需要进入单晶炉，重新加热至一千四百二十度融化，通过籽晶的旋转提拉，让硅原子沿籽晶晶格方向生长为单晶硅棒，同时进一步去除杂质。

当前最先进工艺的硅晶圆是十二英寸，换算成公制直径要达到三百毫米以上，这就要求从单晶炉培育出来的硅棒直径要超过这个尺寸。

罗平他们也见到了巨大的成品硅晶棒，长度超过两米，总重量三百多公斤，散发着乌黑的光泽巨大圆柱体。

硅晶棒表面还要抛光，变成标准尺寸圆柱体，掐头去尾截成几段，更小的尺寸方便进行切片。

硅材料是半导体，不能用电火花线切割，需要用专业的金刚石多线切割设备进行切片，切出来的晶圆厚度一毫米左右，正负误差不高于一微米，在切割过程中，整个晶棒要损失三分之一左右的质量。

两米长的硅棒，可以切出大约一千五百多片十二英寸的合格硅晶圆片。

切割出来的硅晶圆还需要双面研磨，达到七百七十五微米的标准厚度，然后磨削晶圆边缘成圆弧形，去除边缘应力，防止崩边损伤。

研磨倒角过后，晶圆需要进入退火炉加热至一千度，在氢气或者氩气氛围中高温处理一到两个小时，用以修复晶圆内部晶格缺陷，消除前面机械加工过程中的残余应力。

退火处理后的硅晶圆，还要经过氢氟酸和硝酸混合液清洗，进一步去除表面机械损伤和金属杂质。

清洗后的硅晶圆进入化学机械抛光机，配合硅胶研磨垫和含二氧化硅颗粒的碱性研磨液，进行化学腐蚀与机械摩擦双重加工，以达到纳米级平整度，使晶圆表面达到镜面效果，满足后面的光刻需求。

抛光过后，使用兆声波清洗机去除晶圆表面颗粒和残留物，再经过激光缺陷检测仪和原子力显微镜双重检测，精度和表面粗糙度都符合要求，一片硅晶圆才算制备成功，可以进入下一步微电路加工制造流程。