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为什么要用硅材料做芯片?未来有材料能取而代之吗

芯片的原材料是晶圆,而晶圆的成分是硅。尝尝有一种说法误解为“沙子可用来制造芯片”,实际上并非如此。沙子的主要化学成分是二氧化硅,玻璃和晶圆的主要化学成分也是二氧化硅。但不同之处在于,玻璃是多晶硅,高温加热沙子可以得到多晶硅。而晶圆是单晶硅,如果用沙子做还需要进一步将多晶硅变为单晶硅。

硅材料到底是什么,又为什么能被用来制造芯片呢,在本文中我们将逐一为大家揭晓。

首先我们要明白的是,硅材料并不是直接就能跳到芯片这一步,硅是由石英沙所精练出来的硅元素,硅元素质子数比铝元素多一个,比磷元素少一个,它不仅是现代电子计算器件的物质基础,也是人们寻找外星生命的基本可能元素之一。通常,我们在对硅元素进行提纯炼化(99.999%)后,就可以将其制造成为硅晶棒,再将硅晶棒进行切片,得到的就是晶圆了。切割出来的晶圆越薄,芯片制造的成本就越低,但是对芯片工艺的要求也更高。

为什么要用硅材料做芯片?未来有材料能取而代之吗

(图片源自OFweek电子工程网)

硅变成晶圆片要经历三个重要步骤

具体来看,硅变成晶圆可以划分为三个步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

在自然界中,硅一般是以硅酸盐或二氧化硅的形式存在砂石中,将沙石原料放入2000℃高温且有碳源存在的电弧熔炉中,利用高温让二氧化硅与碳反应(SiO2+2C=Si+2CO),从而得到冶金级硅(纯度约98%)。但这种纯度的硅还不足以用来制备电子元器件,因此还要对其进一步提纯。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行氯化反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%,成为电子级硅。

那么如何从多晶硅中得到单晶硅呢?最常用的是直拉法,将多晶硅放在石英坩埚中,用1400℃的温度在外围保持加热,就会产生多晶硅熔化物。当然,在这之前会把一颗籽晶浸入其中,并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物会粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去,在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。最后对单晶硅棒进行滚磨、切割、研磨、倒角、抛光等工艺,就得到了最重要的晶圆片了。

按照切割尺寸的不同,硅晶圆主要可划分为6英寸、 8英寸、 12英寸及18英寸等。硅晶圆片尺寸越大,每块晶圆上就能切割出更多的芯片,单位芯片的成本也就更低。

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