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硅是半導體工業(yè)的核心材料。它在地殼中的儲量僅次于氧，約占25%。硅的熔點為1420°C，遠高于制造第一只晶體管的鍺（937°C）。硅的帶隙為1.14eV，允許工作溫度可達150°C；鍺的帶隙為0.67eV，允許工作溫度低于100°C。

硅是唯一可通過熱氧化生長絕緣介質的半導體。生成的二氧化硅（SiO?）薄膜有多項特性：與硅結合緊密、不溶于水，硅熔點以下化學穩(wěn)定；是優(yōu)良電介質，電場擊穿強度高，與硅界面穩(wěn)定；可鈍化硅表面，防止漏電；能作為擴散掩模。硅-二氧化硅（Si-SiO?）結構是半導體制造的關鍵。

盡管晶體管最初由鍺制成，但硅后來取代鍺，成為半導體工業(yè)的主流材料。

集成電路的設計、制造、測試和封裝是當今最復雜的工藝之一，一條CMOS集成電路（CMOS-IC）工藝流程含350余道步驟，耗時6至8周。工藝需在潔凈室完成，所用化學試劑、溶劑和氣體純度要求極高：氣體為超高純（≥99.999%）；液體為半導體級（≥99%）或CMOS級（99.5%），至少符合ACS標準（≥95%）（見圖1）；真空度可低至10?11托（1標準大氣壓 = 760托）；溫度范圍覆蓋液氦溫度（-269°C）至1200°C。

圖1：半導體工藝中使用的液體和溶劑

制造芯片的硅需具備晶體結構，且純度極高。本文將介紹硅晶圓的生產工藝。

一、從石英巖礦石到多晶硅

硅在地殼中儲量豐富，但不以純硅形式存在，而是以石英巖礦石為主要載體（見圖2）。石英巖的主要成分是二氧化硅（SiO?）。

圖2：石英巖礦石的實物圖

下面介紹從石英巖到硅晶圓的工藝流程。

第一步，生成冶金級硅（MGS）。石英巖與煤或木屑放入電弧爐，高溫下碳與二氧化硅反應，生成純度約98%的冶金級硅。反應方程式如下：

SiO2（固體）+2C（固體）→Si（固體）+2CO（氣體）

圖3：電弧爐示意圖

第二步，制備三氯氫硅。冶金級硅研磨成粉，在流化床反應器中與無水氯化氫反應，生成三氯氫硅（SiHCl?）。反應方程式如下：

3HCl（氣體）+Si（固體）→SiHCl3（液體）+H2（氣體）

三氯氫硅沸點31.8°C，易通過蒸餾提純。

第三步，提純三氯氫硅。加熱混合液體，利用沸點差異分離，得到高純度三氯氫硅。

第四步，制備多晶硅。高純度三氯氫硅與氫氣通入化學氣相沉積（CVD）設備，加熱反應器后發(fā)生反應，生成多晶硅。反應方程式如下：

SiHCl3（氣體）+H2（氣體）→Si（固體）+3HCl（氣體）

最終可獲得太陽能級硅（SoG-Si，純度99.9999%）或電子級硅（EGS，純度99.999999999%）。該工藝稱為西門子法，流程示意圖如下。

圖4：采用西門子技術生產電子級硅的流程示意圖

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