半导体硅材料的制备

结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%～99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶制得硅单晶。

世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。

材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。

氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300～500℃热处理会产生热施主，而经650℃以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。

对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。

某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。

非晶硅材料具有连续无规的网格结构，最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。

将某一特定晶向的Si seed(种子,通常为一小的晶棒)棒插入熔融状态Si下,并慢慢向上拉起晶棒,一根和seed相同晶向的晶柱就被生产出来,晶柱的直径可以通过控制向上拉的速度等工艺变量来控制.将晶柱切割成很多的一小片,wafer就被制造出来了.晶柱两头无法切割成可用的wafer的部分可被称为头尾料.初步切割出来的wafer,表面通常比较粗糙,无法用作晶圆生产,因而通常都在后续工艺中进行抛光,抛光片的名词就由此而来.针对不同晶圆制造要求,通常需要向粗制晶圆内掺杂一些杂质,如P,B等,以改变其阻值,因而就有了低阻,高阻,重掺等名词.镀膜片可以理解为外延片Epi,是针对特定要求的半导体device而制定的wafer,通常是在高端IC和特殊IC上使用,如绝缘体上Si(SOI)等. 在晶圆IC的生产过程中,需要一些wafer来测试生产设备的工艺状态,如particle水平,蚀刻率,缺陷率等,这些wafer通常叫做控片,控片也用来随正常生产批一起工艺以测试某一工艺的质量状况,如CVD膜厚等.生产设备在维护或维修后,立即工艺生产批的wafer,容易造成报废,因而通常要用一些非常低成本的wafer来运行工艺以确定维护或修理工作的质量,这类wafer通常叫做dummy wafer,当然有的时候dummy wafer也会用在正常生产过程中,如某些机台必须要求一定数量的wafer才能工艺,不足的就用dummy wafer补足,而有的机台必须在工艺一定数量的wafer后进行某一形式的dummy run,否则工艺质量无法保证等等诸如此类的很多wafer都可以叫做dummy. 挡片基本上可以视为dummy wafer的一种. dummy wafer,控片,挡片等通常都是可以回收利用的.

硅片，是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成各种半导体器件。用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。科学技术的发展不断推动着半导体的发展。自动化和计算机等技术发展，使硅片（集成电路）这种高技术产品的造价已降到十分低廉的程度。这使得硅片已广泛应用于航空航天、工业、农业和国防，甚至悄悄进入每一个家庭。

实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化硅，用稀酸洗去生成的氧化镁和镁粉，再用氢氟酸洗去未作用的二氧化硅，即得单质硅。这种方法制得的都是不够纯净的无定形硅，为棕黑色粉末。工业上生产硅是在电弧炉中还原硅石（SiO2含量大于99%）。使用的还原剂为石油焦和木炭等。使用直流电弧炉时，能全部用石油焦代替木炭。石油焦的灰分低（0.3%～0.8%），采用质量高的硅石（SiO2大于99%），可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。高纯的半导体硅可在1，200℃的热硅棒上用氢气还原高纯的三氯氢硅SiHCl3或SiCl4制得。超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法等制备。 用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。

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