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行業(yè)資訊
當(dāng)前位置：為什么要用硅材料做芯片
發(fā)布時(shí)間：2022-12-07 13:37:59
為什么要用硅材料做芯片？未來(lái)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(shuō)法誤解為“沙子可用來(lái)制造芯片”，實(shí)際上并非如此。沙子的主要化學(xué)成分是二氧化硅，玻璃和晶圓的主要化學(xué)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(jìn)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(lái)的硅元素，硅元素質(zhì)子數(shù)比鋁元素多一個(gè)，比磷元素少一個(gè)，它不僅是現(xiàn)代電子計(jì)算器件的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人們尋找外星生命的基本可能元素之一。通常，我們?cè)趯?duì)硅元素進(jìn)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(jìn)行切片，得到的就是晶圓了。切割出來(lái)的晶圓越薄，芯片制造的成本就越低，但是對(duì)芯片工藝的要求也更高。
硅變成晶圓片要經(jīng)歷三個(gè)重要步驟：具體來(lái)看，硅變成晶圓可以劃分為三個(gè)步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、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(yīng)（SiO2＋2C＝Si＋2CO），從而得到冶金級(jí)硅（純度約98％）。但這種純度的硅還不足以用來(lái)制備電子元器件，因此還要對(duì)其進(jìn)一步提純。將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99．999999999％，成為電子級(jí)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(huì)產(chǎn)生多晶硅熔化物。當(dāng)然，在這之前會(huì)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(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物會(huì)粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去，在其被拉出和冷卻后就生長(zhǎng)成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。最后對(duì)單晶硅棒進(jìn)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(shuō)硅是最適合造芯片的材料？
理論上來(lái)說(shuō)，所有半導(dǎo)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(xué)性質(zhì)和物質(zhì)性質(zhì)都十分穩(wěn)定，最早的晶體管其實(shí)是使用半導(dǎo)體材料鍺來(lái)制作的，但是因?yàn)闇囟瘸^(guò)75℃時(shí)，導(dǎo)電率會(huì)出現(xiàn)較大變化，做成PN結(jié)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(shù)成熟，成本低，如今硅的提純可以達(dá)到99．999999999％；4、硅材料本身無(wú)毒無(wú)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(dǎo)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(lái)看，硅材料制成的二極管／晶體管多用于通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制等；集成電路多用于各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)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(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器等；射線探測(cè)器多用于原子能分析、光量子檢測(cè)；太陽(yáng)能電池多用于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域。
