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當前位置：為什么要用硅材料做芯片
發(fā)布時間：2022-12-07 13:37:59
為什么要用硅材料做芯片？未來有材料能取而代之嗎？
芯片的原材料是晶圓，而晶圓的成分是硅。嘗嘗有一種說法誤解為“沙子可用來制造芯片”，實際上并非如此。沙子的主要化學成分是二氧化硅，玻璃和晶圓的主要化學成分也是二氧化硅。但不同之處在于，玻璃是多晶硅，高溫加熱沙子可以得到多晶硅。而晶圓是單晶硅，如果用沙子做還需要進一步將多晶硅變?yōu)閱尉Ч琛Ｊ紫任覀円靼椎氖牵璨牧喜⒉皇侵苯泳湍芴叫酒@一步，硅是由石英沙所精練出來的硅元素，硅元素質(zhì)子數(shù)比鋁元素多一個，比磷元素少一個，它不僅是現(xiàn)代電子計算器件的物質(zhì)基礎，也是人們尋找外星生命的基本可能元素之一。通常，我們在對硅元素進行提純煉化（99．999％）后，就可以將其制造成為硅晶棒，再將硅晶棒進行切片，得到的就是晶圓了。切割出來的晶圓越薄，芯片制造的成本就越低，但是對芯片工藝的要求也更高。
硅變成晶圓片要經(jīng)歷三個重要步驟：具體來看，硅變成晶圓可以劃分為三個步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。在自然界中，硅一般是以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在砂石中，將沙石原料放入2000℃高溫且有碳源存在的電弧熔爐中，利用高溫讓二氧化硅與碳反應（SiO2＋2C＝Si＋2CO），從而得到冶金級硅（純度約98％）。但這種純度的硅還不足以用來制備電子元器件，因此還要對其進一步提純。將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)氯化氫進行氯化反應，生成液態(tài)的硅烷，然后通過蒸餾和化學還原工藝，得到了高純度的多晶硅，其純度高達99．999999999％，成為電子級硅。那么如何從多晶硅中得到單晶硅呢？最常用的是直拉法，將多晶硅放在石英坩堝中，用1400℃的溫度在外圍保持加熱，就會產(chǎn)生多晶硅熔化物。當然，在這之前會把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物會粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去，在其被拉出和冷卻后就生長成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。最后對單晶硅棒進行滾磨、切割、研磨、倒角、拋光等工藝，就得到了最重要的晶圓片了。按照切割尺寸的不同，硅晶圓主要可劃分為6英寸、 8英寸、 12英寸及18英寸等。硅晶圓片尺寸越大，每塊晶圓上就能切割出更多的芯片，單位芯片的成本也就更低。
為什么說硅是最適合造芯片的材料？
理論上來說，所有半導體都可以作為芯片材料，但是硅材料為什么最適合做芯片，主要原因有下：1、按地球元素含量排行，依次為：氧＞硅＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；2、硅元素化學性質(zhì)和物質(zhì)性質(zhì)都十分穩(wěn)定，最早的晶體管其實是使用半導體材料鍺來制作的，但是因為溫度超過75℃時，導電率會出現(xiàn)較大變化，做成PN結后鍺的反向漏電流比硅大，因此選取硅元素作為芯片材料更加合適；3、硅元素提純技術成熟，成本低，如今硅的提純可以達到99．999999999％；4、硅材料本身無毒無害，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。
硅材料制成品主要用途
在半導體產(chǎn)業(yè)中，硅材料多被用于制造二極管／晶體管、集成電路、整流器、晶閘管等等，具體來看，硅材料制成的二極管／晶體管多用于通訊、雷達、廣播、電視、自動控制等；集成電路多用于各種計算機、通訊、廣播、自動控制、電子秒表、儀器儀表等；整流器多用于整流；晶閘管多用于整流、直流輸配電、電氣機車、設備自控、高頻振蕩器等；射線探測器多用于原子能分析、光量子檢測；太陽能電池多用于太陽能發(fā)電領域。
