本文参考自“国信证券：半导体系列报告”。半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来 制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。半导体材料的研 究始于 19 世纪，至今已发展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间互相补充。
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国信证券：半导体系列报告
第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素 半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和 整个信息产业的飞跃。
第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化 合物半导体，如 GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体 等。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二 代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系 统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的 宽禁带半导体材料。具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐 射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件， 在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、 消费类电子等领域有广阔的应用前景。
硅材料制造全球绝大部分的半导体产品，也是占比最大的半导体制造材料。在 1950 年代初期，锗是主要的半导体材料。但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能 较差，到 1960 年代逐渐被硅材料取代。由于硅器件的漏电流要低得多，且二氧化 硅是一种高质量的绝缘体，很容易作为硅器件的一部分进行整合，至今半导体器 件和集成电路仍然主要用硅材料制成，硅产品构成了全球绝大部分半导体产品。
半导体硅晶圆（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半导体产品的基础，可 根据不同参数进行分类。
根据尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为 2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸 （300mm），在摩尔定律影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展，目前 8 英寸和 12 英寸是主流产品，合计出货面积占比超过90%。
根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量 大，电阻率低,一般用于功率器件等产品；轻掺硅片掺杂浓度低，一般用于集成电 路领域，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比 超过 80%，全球对轻掺硅片需求更大。
根据工艺，半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延 片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件；轻掺抛光片可用于制造大规模集成电 路或作为外延片的衬底材料，重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨 片，抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。
在抛光片的基础上，可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和结隔离硅片等。退 火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理，以去除晶圆表面附近的氧气， 可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅， 可 满 足 需 要 晶 体 完 整 性 或 不 同 电 阻 率 的 多 层 结 构 的 需 求 。SOI 硅 片 （Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，可以实 现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性层表面也可以形成砷或砷 的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计，利用曝光、离子注入和热扩散技术在 晶圆表面预形成 IC 嵌入层，然后再在上面生长一层外延层。
根据应用场景不同，半导体硅片可分为正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer） 用于半导体产品的制造，假片（Dummy Wafer）用来暖机、填充空缺、测试生产设 备的工艺状态或某一工艺的质量状况。假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而 来，由于用量巨大，在符合条件的情况下部分产品会回收再利用，回收重复利用 的硅片称为可再生硅片（Reclaimed Wafer）。据观研网数据，65nm 制程的晶圆 代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片，28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20 片假片。
半导体硅片制造流程复杂，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体 硅片的生产流程复杂，涉及工序较多。研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切 片、倒角、研磨等，抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制 造而来；抛光片经外延工艺制造出硅外延片，经退火热处理制造出硅退火片，经 特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。硅片制造过程中需要经过多次清洗，在销售给 客户之前还需要经过检验和包装。
步骤一：拉单晶。电子级高纯度多晶硅通过单晶生长工艺可拉制成单晶硅棒，常 用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和区熔法（Float-Zone，FZ 法）两种。FZ 法纯度高，氧含量低，电阻率较高，能耐高压，但工艺难度大，大尺寸硅片制备 困难且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸为主，主要用于中高端功率器件。CZ 法氧含量高，更容易生产出大尺寸单晶硅棒，工艺也已成熟，成本较低，因此 目前半导体行业主要采用 CZ 法拉制单晶硅棒。拉单晶技术直接决定了位错、COP （crystal originated pit,晶体原生凹坑）、旋涡等晶体原生缺陷的密度及电 阻率、电阻率梯度、氧、碳含量等晶体技术指标的好坏，是半导体硅片生产工序 中最为核心的技术。
装料：将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚内，掺杂剂的种类依所需 生长的电阻率而定，主要有生长 P 型的硼和生长 N 型的磷、砷、锑等。
熔化：装料结束后，加热至硅熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅和掺杂剂熔化，挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称 “烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。
引晶：当温度稳定后，将籽晶与熔体接触，然后具有一定转速的籽晶按一定 速度向上提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，称为“引晶”或“下种”。
缩颈：在引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其 目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般 要长于 20mm。
放肩：缩颈工艺完成后，通过逐渐降低提升速度及温度调整，使晶体直径逐 渐变大到所需的直径为止。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔 掉重新引晶。
等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大， 称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度 和拉速不变。单晶硅片取自于等径部分。
收尾：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使 得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径 慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为收尾阶段。长完的 晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
步骤二：切片。单晶硅棒磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，用内径锯 或线锯将晶棒切成约 1mm 厚的薄片，形成晶圆。根据目前的工艺、技术水平，为 了降低硅材料的损耗、提高生产效率和表面质量，一般采用线切割方法进行切片。
步骤三：倒角。硅片倒角加工的目的是消除硅片边缘表面经切割加工所产生的棱 角、裂缝、毛刺、崩边或其他的缺陷以及各种边缘表面污染，从而降低硅片边缘 表面的粗糙度，增加硅片边缘表面的机械强度、减少颗粒的表面沾污。
步骤四：研磨。在研磨机上用磨料将切片抛光到所需的厚度，同时提高表面平整 度。研磨的目的是为了去除在切片工序中，硅片表面因切割产生的深度约 20~25um 的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，并使硅片具有一定的 平坦表面。
步骤五：蚀刻和抛光。通过化学蚀刻去除前面步骤对晶圆表面造成的机械损伤， 然后采用硅溶胶机械化学抛光法使晶圆表面更加平整和光洁。
步骤六：清洁和检查。清洁后，对产品进行严格的质量检查，合格后销售给客户。也可进一步用来制作 SOI、外延片等特殊硅片。
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