I. 硅片制造概述

适用于集成电路行业的是半导体级的硅片，必须是对产品质量及一致性要求极高的单晶硅，其纯度须达99.999999999%（11个9，相比之下光伏级只需要6个9即可满足应用需要）。

硅矿石经过冶炼形成多晶硅后，被送往硅片制造厂进行进一步加工。

加工的第一步是拉单晶，如采用直拉法一般是将多晶硅与掺杂剂熔化后拉制成结构完整、杂质含量极低的单晶硅锭（也称为“硅棒”）。接着，对硅锭进行磨外圆，以确保其柱面光滑并减小直径尺寸误差。随后，将磨好的硅锭切割成若干段，再用细金刚石线将每一段切片成合适厚度的硅片。由于硅片较薄，切割后的边缘非常锋利，因此需要进行倒角处理，以避免后续工序中出现碎片或破损。此后，硅片还会经过研磨工序。在研磨过程中，有时会根据需要进行简单的刻蚀（无需光刻），以利用化学溶液溶解因物理加工而受损的表层。随后，再通过抛光对硅片表面进行精密加工，最终确保其表面平坦度极佳。最后，经过清洗、测试和检测，合格后即可出货供晶圆加工使用。此外，在抛光片基础上进行退火处理可制备退火片，按需进行外延生长则制备各种外延片。

单晶硅棒制备是整个硅片制造最基础的一环，主要有直拉法、区熔法两种工艺：

直拉法又称“柴氏法”，在1916年由波兰科学家柴可拉斯基研究金属结晶速率时发明。该方法首先将多晶硅和掺杂物置于坩埚中加热融化，然后放入籽晶，表面轻微的温度下降熔体就会在籽晶上生长结晶，旋转并缓慢向上提拉籽晶，同时反向旋转坩埚，挂在籽晶上的单晶硅棒就会开始形成。调节提拉速度及温度，就可使得硅单晶以恒定的直径进行生长。

直拉法工艺成熟，更容易生长出大直径单晶硅，也是最常用的拉单晶制备工艺，采用直拉法的硅单晶约占85%。截止到目前，12英寸硅片仍只能用直拉法生产。

针对硅材料的区熔法，主要采用悬浮区熔法，也称为“浮区法”。该方法首先需要制备多晶硅棒，然后在真空或惰性气体环境下的炉室中，利用电场对多晶硅棒进行加热，使被加热区域的多晶硅熔化，形成熔融区。随后，用籽晶接触并融化该熔融区。最后，通过移动电场加热的位置，使多晶硅棒上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，最终逐步形成单晶硅棒。

由于该方法不与坩埚、加热器接触，因此更不易受到污染，纯度比直拉法更高，电性能也更加均匀，常用于功率器件芯片的晶圆加工。然而，该方法的生产成本较高，且较难生长出大尺寸的产品。目前，最大只能制备直径为8英寸的晶圆。

外延生长也可称为“外延沉积”，是特殊的薄膜生长（也可称为“薄膜沉积 ”），旨在生长（也可称为“沉积”）排列有序的单晶体层。通常可按外延层材料分为同质外延与异质外延。当外延膜在同一种材料上生长时，称为同质外延，如硅基外延硅；在不同材料上生长外延则称为异质外延，如硅基氮化镓（GaN）。

与晶格匹配的同质外延不同，一般来说，异质外延因具有不同化学成分的晶体具有不同的晶格常数，在晶体生长的过程中不能通过外延沉积的方式集成到一起而不产生缺陷。某些情况下，受控的晶格失配不仅可以被克服，甚至有时还是必需要的，比如可接受的晶格失配引入了晶格内的应变，从而使得应变材料中电子迁移率增加，进而确保电子器件工作速度更快。伴随着异质外延的生长，晶格失配产生的应变会持续增加，进而形成以位错为主要形式的缺陷。但只要在临界厚度以下停止生长，晶格失配通常不超过5%，所引起的应变就可接受，硅上外延沉积硅锗赝晶膜(SiGe)就是应变层外延的典型例子。

此外，如需将两种晶格不匹配的材料组合在一起，还可以采用一个或多个缓冲层实现从一种晶格结构到另一种晶格结构的逐渐过渡而不产生错位缺陷的应变。这种情况，通常会用梯度层一词来强调在不同晶格常熟的材料间控制其化学成分的逐渐转变。异质外延和梯度层应变异质外延技术的结合，使得应用复杂材料具有了很大的灵活性。

硅片按照制程设计与产品差异来区别，可以主要分为抛光片、退火片与外延片等。其中：抛光片最为常见，广泛用于常规逻辑芯片、存储芯片等的晶圆加工；退火片通常是指对抛光片使用氢气或氩气在1100~1200°C 高温下实施退火处理的硅片，有助于消除拉单晶过程中所形成的微小晶体原生凹坑，更好的吸附表面金属杂质。由于CIS、DRAM的晶圆加工对表面缺陷要求较严格，一般规格的这两类产品常使用退火片以提升产品良率；外延片则是通过外延生长出外延层的产品，与异质外延主要是为应用于新一代半导体多种材料层叠所需不同，最初引入的外延生长技术更多为了消除单晶表面及近表面缺陷的同质外延。但由于退火片的单价较低，可在有些应用场景中替代同质外延片。

此外，根据掺杂程度的不同，硅片可分为轻掺片和重掺片。轻掺片是绝对主流产品，而重掺片则掺杂元素含量较高、电阻率较低，主要应用于功率器件。从硅片在晶圆厂的应用场合来看，还可以分为正片和陪片。正片用于半导体产品的晶圆加工，陪片则用于设备暖机、填补空缺或测试生产设备的工艺状态。

按制程设计与产品差异来分类，除了抛光片、退火片与外延片之外，近十年来，还有一种工艺更为复杂的绝缘体上硅片（业界更习惯直接称为“SOI”片）正处于快速增长中。其原理是通过埋入绝缘层降低寄生电容、防止泄漏电流，从而具备短沟道效应小、功耗低、速度快等优点，在部分产品的晶圆加工中可与FinFET技术一起复合使用进一步提升性能。

绝缘体上硅片按应用领域、不同工艺、产品规格等还可进一步细分为如下几个主要品种：

• RF-SOI，目前占比最高，主要用于射频前端模块

• FD-SOI，与PD-SOI相比有着更薄的体结构，目标定位于低功耗的高速数字芯片，且能够灵活整合模拟/射频、混合讯号，成本低于FinFET技术，适用于低成本、低功耗为主的物联网、人工智能、5G应用等场景。

• Power-SOI，主要用于稳定性要求高的大功率器件，例如汽车电子、工业用途等。

• Imager-SOI，比如用于可提高近红外光谱(NIR)成像性能的特种CIS芯片。

• Photonics-SOI，可将高性能光学器件集成，用于硅光子领域，目前已能为云人工智能市场提供高速数据中心互联解决方案。

• MEMS-SOI，与传统MEMS相比，除了更低的功耗，还具备更高精度、更强机械性能等优点。

绝缘体上硅片有时会被认为属于硅的异质外延，但这么分其实并不严谨，因为有些该类产品的制造过程可以不用外延生长技术来实现。常见制造方法有：

• SIMOX, 注氧隔离技术
  通过氧离子注入和退火两个关键步骤在普通硅片内部嵌入氧化物隔离层，非常适合制备FD-SOI.
  

• Bonding, 键合技术
  是通过将两片普通硅片氧化、键合以及退火后，再通过研磨与抛光将其中一个半导体硅片减薄到所要求的厚度来达到制备目的。
  

• Simbond, 注氧键合技术
  通过一片SIMOX技术制备的硅片与另一片普通硅片键合、退火、研磨，然后将形成分布均匀的离子注入层作为化学腐蚀阻挡层进行刻蚀再抛光与外延，能实现对最终器件层的厚度及其均匀性的良好控制，被广泛用于汽车电子、硅光子等领域。
  

• Smart-cut, 智能剥离技术
  目前处于领先地位的SOI制备技术，法国Soitec拥有其专利与商标，该技术通过氢离子注入实现硅层的可控转移。氢注入不会导致硅片晶格的损伤，大幅度提升了顶层硅晶体质量，达到与体硅晶体质量相同的水准。此外，剥离的硅片衬底经过抛光加工后重复使用，大幅度降低了生产成本；顶层硅厚度可以通过氢离子的注入能量来调节，可以满足顶层硅厚度 1.5μm 以下各类 SOI 片的应用需要。因此广泛应用于汽车电子、硅光子、射频前端芯片等领域。