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集成电路版图设计习题答案第2章 集成电路制造工艺【习题答案】1．硅片制备主要包括（直拉法）、（磁控直拉法）和（悬浮区熔法）等三种方法。
2．简述外延工艺的用途。
答：外延工艺的应用很多。
外延硅片可以用来制作双极型晶体管，衬底为重掺杂的硅单晶（n +），在衬底上外延十几个微米的低掺杂的外延层（n ），双极型晶体管（NPN ）制作在外延层上，其中b 为基极，e 为发射极，c 为集电极。
在外延硅片上制作双极型晶体管具有高的集电结电压，低的集电极串联电阻，性能优良。
使用外延硅片可以解决增大功率和提高频率对集电区电阻要求上的矛盾。
图 外延硅片上的双极型晶体管集成电路制造中，各元件之间必须进行电学隔离。
利用外延技术的PN 结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。
利用外延硅片制备CMOS 集成电路芯片可以避免闩锁效应，避免硅表面氧化物的淀积，而且硅片表面更光滑，损伤小，芯片成品率高。
外延工艺已经成为超大规模CMOS 集成电路中的标准工艺。
3．简述二氧化硅薄膜在集成电路中的用途。
答：二氧化硅是集成电路工艺中使用最多的介质薄膜，其在集成电路中的应用也非常广泛。
二氧化硅薄膜的作用包括：器件的组成部分、离子注入掩蔽膜、金属互连层之间的绝缘介质、隔离工艺中的绝缘介质、钝化保护膜。
4．为什么氧化工艺通常采用干氧、湿氧相结合的方式？答：干氧氧化就是将干燥纯净的氧气直接通入到高温反应炉内，氧气与硅表面的原子反应生成二氧化硅。
其特点：二氧化硅结构致密、均匀性和重复性好、针孔密度小、掩蔽能力强、与光刻胶粘附良好不易脱胶；生长速率慢、易龟裂不宜生长厚的二氧化硅。
湿氧氧化就是使氧气先通过加热的高纯去离子水（95℃），氧气中携带一定量的水汽，使氧化气氛既含有氧，又含有水汽。
因此湿氧氧化兼有干氧氧化和en +SiO 2n -Si 外延层 n +Si 衬底水汽氧化的作用，氧化速率和二氧化硅质量介于二者之间。
实际热氧化工艺通常采用干、湿氧交替的方式进行。
光伏组件的制造技术研究第一章：引言光伏发电是以太阳辐射为能源，利用光伏发电设备直接将太阳能转化为电能的无污染、可再生能源。
随着新能源产业不断发展，光伏组件作为其核心材料，也日益受到重视。
本文主要研究光伏组件的制造技术，并结合实际案例进行讲解。
第二章：光伏组件制造工艺光伏组件的制造流程主要包括晶体硅制备、硅片制备、单晶硅片及多晶硅片的电池制造、组件的制造等环节。
其中，硅片制备是整个制造流程的核心环节之一，主要包括以下步骤：1. 多晶硅净化通过采用物理或化学方法对多晶硅进行净化，以保证其低氧、低碳等杂质含量，提高硅质量。
2. 多晶硅拉升将净化后的多晶硅用拉伸机拉升成棒状，这样可以提高硅棒的纯度和结晶度。
3. 切割成硅片将硅棒进行切割，形成硅片。
4. 磨平及清洗对硅片进行磨平和清洗处理，以保证硅片表面的平整度和洁净度。
此外，电池制造和组件制造也是制造流程中重要的环节。
电池制造主要包括：清洗、薄片切割、化学抛光、清洗和电池制程等；组件制造则主要包括：电池焊接、安装及背板封装等。
第三章：光伏组件制造中的技术瓶颈在光伏组件制造的过程中，存在一些技术瓶颈，主要包括以下几个方面：1. 高质量多晶硅制备技术多晶硅的质量是影响组件性能的重要因素之一。
目前，多晶硅净化、生长技术等技术仍存在不少问题，导致硅质量难以保证。
2. 硅片制备技术硅片质量直接影响到组件的效率和成本。
由于硅片制备难度大、成本高，制备银浆的粘接性也存在问题，导致硅片加工效率低下。
3. 市场成熟度低光伏发电技术虽然发展迅速，但其市场成熟度仍然不高。
由于政策和市场环境的不确定性，光伏企业未来的发展趋势也难以确定，这给制造企业带来较大的不确定性。
第四章：技术解决方案针对光伏组件制造中存在的技术瓶颈，可以采用以下方法进行解决：1. 推动多晶硅制备技术的研究加强对多晶硅净化、生长等方面的研究，提高多晶硅的质量，以达到组件的高效率和长寿命。
2. 加强硅片制备技术的研究加强硅片制备技术的研究，提高硅片的质量和效率，降低硅片的制备成本。
硅片生产过程详解硅片是指将高纯度的硅块切割而成的薄片状材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
硅片的生产过程包括原材料准备、硅块生长、硅片切割、抛光和清洗等环节。
首先，原材料准备。
硅片的制备主要依赖于高纯度多晶硅。
这里的多晶硅是通过炼铁、精炼等步骤提取到的，然后再通过高温还原法得到高纯度多晶硅。
得到的多晶硅经过密封包装，以防氧化，供后续工序使用。
其次，硅块生长。
这一步骤是将高纯度多晶硅溶解在高温熔融的石英容器内，然后将掺杂物加入溶液中，形成硅熔体。
之后，将硅熔体缓慢冷却，使硅原子逐渐排列成晶体结构，形成单晶硅。
这一过程常采用Czochralski法或浸渍法进行，其中Czochralski法是最常用的方法。
然后，硅片切割。
在这一步骤中，将生长出来的单晶硅体取出，然后用锯片进行切割。
切割时要注意选择合适的切割角度，使得切割出的硅片为所需的厚度和尺寸。
切割后的硅片会被涂覆抗反射膜，用于减少反射损失。
接下来是硅片抛光。
由于切割会产生较大的表面粗糙度，因此需要对硅片进行抛光处理。
首先，使用化学机械抛光(CMP)的方法，先以机械方式去除硅片表面的几微米厚度的材料。
然后，使用化学性质的溶液，例如酸性溶液，以化学腐蚀的方式去除硅片表面的微观瑕疵，直至达到平滑的表面。
最后是硅片清洗。
这一步骤是将抛光后的硅片进行清洗，去除残留的杂质和化学物质。
清洗工序通常包括超声清洗、龙头洗涤和烘干等步骤。
超声波清洗可以有效去除表面粒子；龙头洗涤利用高纯水对硅片进行冲洗；烘干则是通过喷射热空气或使用干燥箱等方式将硅片表面的水分蒸发掉。
总结起来，硅片生产过程主要包括原材料准备、硅块生长、硅片切割、抛光和清洗等步骤。
每个步骤都需要严格的操作和控制，以保证硅片的高纯度和优质表面特性。
通过这个过程，我们可以得到适用于各种应用领域的高质量硅片。
电子行业半导体制造与封测方案第一章：半导体制造概述 (2)1.1 半导体制造简介 (2)1.2 半导体制造流程 (3)1.2.1 设计与仿真 (3)1.2.2 硅片制备 (3)1.2.3 光刻 (3)1.2.4 刻蚀 (3)1.2.5 离子注入 (3)1.2.6 化学气相沉积 (3)1.2.7 热处理 (3)1.2.8 封装与测试 (3)1.3 半导体制造发展趋势 (4)1.3.1 制程技术升级 (4)1.3.2 设备更新换代 (4)1.3.3 材料创新 (4)1.3.4 封装技术升级 (4)第二章：半导体材料与设备 (4)2.1 半导体材料概述 (4)2.2 半导体设备分类 (5)2.3 半导体设备选型与评价 (5)第三章：光刻技术 (6)3.1 光刻技术原理 (6)3.2 光刻机种类及特点 (6)3.2.1 深紫外光（DUV）光刻机 (6)3.2.2 极紫外光（EUV）光刻机 (6)3.2.3 光刻机其他类型 (6)3.3 光刻工艺优化 (7)3.3.1 光刻胶优化 (7)3.3.2 曝光参数优化 (7)3.3.3 显影工艺优化 (7)3.3.4 设备维护与校准 (7)第四章：蚀刻与沉积技术 (7)4.1 蚀刻技术概述 (7)4.2 沉积技术概述 (7)4.3 蚀刻与沉积工艺控制 (8)第五章：掺杂与离子注入 (8)5.1 掺杂原理 (9)5.2 离子注入技术 (9)5.3 掺杂与离子注入工艺优化 (9)第六章：半导体器件制造 (10)6.1 器件制造流程 (10)6.1.1 设计与仿真 (10)6.1.2 硅片制备 (10)6.1.3 光刻 (10)6.1.4 刻蚀 (10)6.1.5 离子注入 (10)6.1.6 化学气相沉积（CVD） (10)6.1.7 热处理 (10)6.1.8 封装 (11)6.2 器件种类及特点 (11)6.2.1 晶体管 (11)6.2.2 二极管 (11)6.2.3 集成电路 (11)6.2.4 光电器件 (11)6.3 器件制造工艺控制 (11)6.3.1 环境控制 (11)6.3.2 设备控制 (11)6.3.3 工艺参数控制 (11)6.3.4 质量控制 (11)第七章：封装技术 (12)7.1 封装技术概述 (12)7.2 封装材料与工艺 (12)7.2.1 封装材料 (12)7.2.2 封装工艺 (12)7.3 封装技术的发展趋势 (12)第八章：测试与质量控制 (13)8.1 测试原理与方法 (13)8.2 质量控制策略 (13)8.3 测试与质量控制发展趋势 (14)第九章：半导体制造项目管理 (14)9.1 项目管理概述 (14)9.2 项目进度与成本控制 (15)9.3 项目风险管理 (15)第十章：半导体制造与封测产业发展 (16)10.1 产业发展现状 (16)10.2 产业政策与规划 (16)10.3 产业发展趋势与挑战 (16)第一章：半导体制造概述1.1 半导体制造简介半导体制造是指将半导体材料经过一系列加工处理，制成具有特定功能器件的过程。
硅片生产工序一、原材料准备硅片的主要原材料是多晶硅，通过石英矿石的提炼和精炼过程获得。
原材料准备阶段主要包括选矿、矿石破碎、矿石焙烧、氟硅酸钠还原等工艺。
选矿是将矿石中的杂质和有用矿物分离，矿石破碎是将原料石进行粉碎，矿石焙烧是将原料石进行高温煅烧，氟硅酸钠还原是将焙烧后的矿石与氟硅酸钠混合，并进行还原反应，得到多晶硅。
二、多晶硅材料制备在多晶硅材料制备阶段，多晶硅原料通过熔炼和晶体生长工艺得到。
首先，将多晶硅原料放入炉中，在高温下熔化。
然后，将熔融的硅液慢慢冷却，使其逐渐凝固形成硅棒。
硅棒是多晶硅的初级形态，需要经过后续的切割和加工才能得到硅片。
三、硅片切割硅棒通过硅片切割机进行切割，切割出一片片薄薄的硅片。
硅片切割机采用金刚石线锯进行切割，通过精确的切割工艺，将硅棒切割成合适尺寸的硅片。
切割过程中需要控制切割速度、切割深度等参数，确保切割出的硅片质量优良。
四、硅片抛光切割出的硅片表面不够光滑，需要进行抛光处理。
硅片抛光主要是通过机械研磨和化学腐蚀两个步骤进行。
首先，将硅片放入研磨机中，利用磨料和研磨液对硅片表面进行研磨，去除表面的凹凸不平。
然后，将研磨后的硅片放入腐蚀液中，进行化学腐蚀，使硅片表面更加光滑。
五、表面处理硅片经过抛光后，需要进行表面处理，以提高其电学性能。
表面处理主要包括去氧化和掺杂两个步骤。
去氧化是将硅片表面的氧化层去除，以减少电阻和提高导电性能。
掺杂是向硅片表面引入杂质，通过控制杂质浓度和分布，改变硅片的导电性能。
六、薄化和清洗硅片经过表面处理后，需要进行薄化处理。
薄化是将硅片的厚度进一步减薄，以适应集成电路的要求。
薄化工艺主要包括机械研磨和化学腐蚀两个步骤。
机械研磨是通过研磨机对硅片进行进一步的研磨，使其厚度减薄至目标厚度。
化学腐蚀是利用腐蚀液对硅片进行化学腐蚀，进一步减薄硅片。
七、质检和测试经过薄化处理后，硅片需要进行质检和测试，以确保其质量符合要求。
质检和测试主要包括外观检查、尺寸测量、电性能测试等。
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案第一章、半导体产业介绍1 .什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？（15分）集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数 无集成1 小规模（SSI ）2到50 中规模（MSI ）50到5000 大规模（LSI ）5000到10万 超大规模（VLSI ） 10万至U100万 甚大规模（ULSI ） 大于100万 产业周期1960年前 20世纪60年代前期 20世纪60年代到70年代前期 20世纪70年代前期到后期 20世纪70年代后期到80年代后期 20世纪90年代后期到现在2 .写出IC 制造的5个步骤？（15分）Wafer preparation （硅片准备）Wafer fabrication （硅片制造）Wafer test/sort （硅片测试和拣选）Assembly and packaging （装配和封装）Final test （终测）3 .写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？（15分）发展方向：提高芯片性能一提升速度（关键尺寸降低，集成度提高，研发采用新材料），降低功耗。
提高芯片可靠性一严格控制污染。
降低成本——线宽降低、晶片直径增加。
摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。
1975年被修改为：IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
4 .什么是特征尺寸CD ？ （10分）最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension, CD ） CD 常用于衡量工艺难易的标志。
5.什么是 More moore 定律和 More than Moore 定律？（10 分）“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小。
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。
硅锭和硅片制造技术
硅锭是制造硅片的重要材料，它通常是由高纯度的多晶硅或单晶硅经过多道工艺制备而成。
具体的制造过程包括：选材、精炼、晶体生长、修整和切割等步骤。
其中，选材是指从多晶硅或单晶硅中选择适合生长晶体的高纯度原料；精炼是指通过升温、降压、气氛控制等方式对原料进行场强净化，降低其含杂质和气泡等缺陷；晶体生长是指利用熔融冷却技术，使多晶硅或单晶硅在高温高压下逐渐形成大晶粒，最终生成完整的硅锭；修整是指对硅锭进行金刚石车削和研磨加工，消除表面缺陷，并使其外形尺寸和几何形状达到要求；切割是指将修整好的硅锭切割成一定厚度的硅片，以供后续工艺加工。
硅锭和硅片制造技术是半导体行业的核心技术，其质量和制造成本直接影响到半导体器件的性能和市场竞争力。
硅片制造是半导体工业中的重要工艺之一，下面是硅片制造的基本工艺流程：1. 原料准备：使用高纯度的多晶硅作为原料。
通过冶炼和提纯过程，将原料中的杂质去除，得到高纯度的硅块。
2. 切割硅块：将高纯度的硅块切割成薄片，即硅片。
通常使用金刚石刀片进行切割，在加工过程中要控制好切割参数，以确保切割出的硅片尺寸准确。
3. 研磨和抛光：对切割出的硅片进行研磨和抛光处理，以去除切割过程中产生的裂纹和表面缺陷，使硅片表面平整光滑。
4. 清洗和去污：通过化学溶液浸泡、超声波清洗等方法，将硅片表面的有机和无机污染物去除，确保硅片表面的洁净度。
5. 表面处理：对硅片表面进行氧化处理，形成一层二氧化硅（SiO2）的氧化层。
这一步骤可以通过干氧化、湿氧化等不同的工艺来实现。
6. 光刻：使用光刻胶涂覆硅片表面，然后通过光刻机将模具上的图案投影到光刻胶上，并进行曝光、显影等过程，形成光刻胶图案。
这一步骤用于制作芯片上的电路图案。
7. 蚀刻：使用蚀刻液将光刻胶未覆盖的硅片表面进行腐蚀，去除不需要的硅材料。
根据需要，可以选择湿蚀刻或干蚀刻工艺。
8. 清洗和检验：对蚀刻后的硅片进行再次清洗，去除蚀刻残留物，并进行质量检验，确保硅片符合要求。
9.检测与分选：对硅片进行质量控制，包括光学检测、电学测试等，然后根据测试结果进行分级。
10. 包装和测试：将制造好的硅片进行封装和标识，以便后续的芯片生产使用。
同时，对硅片进行测试，验证其电性能和质量。
需要注意的是，硅片制造是一项复杂的工艺，需要严格控制各个环节和参数，以确保硅片的质量和性能。
此外，还有许多高级工艺，如离子注入、薄膜沉积、金属化等，用于制造不同类型的芯片和器件。
硅片制造工艺流程一、引言硅片是集成电路制造中的重要材料，它是制造芯片的基础。
本文将详细介绍硅片制造的工艺流程，包括硅片的原材料、制备方法以及后续的加工步骤。
二、硅片制造的原材料硅片的主要原材料是硅石，它是一种含有高纯度硅的矿石。
硅石经过破碎、磨粉和洗涤等处理，得到高纯度的硅粉。
硅粉中的杂质经过化学处理和高温热解去除，最终得到高纯度的硅。
三、硅片制备方法硅片的制备主要有以下几个步骤：3.1 溅射法溅射法是一种常用的制备硅片的方法。
它使用高纯度的硅靶作为溅射材料，在真空环境中进行溅射沉积。
通过控制沉积温度、气压和靶材的纯度等参数，可以得到高质量的硅片。
3.2 Czochralski法Czochralski法是一种通过熔融硅制备硅片的方法。
首先将高纯度硅加热至熔点，然后将单晶硅籽晶放入熔池中，慢慢拉出并旋转晶体，在晶体表面形成一层均匀厚度的硅片。
3.3 浮基法浮基法是一种制备大尺寸硅片的方法。
它使用硅溶液在液面上浮起并结晶，最终形成硅片。
浮基法可以制备出较大尺寸的硅片，但是需要保证溶液的纯度和稳定性。
四、硅片的加工步骤硅片制备完成后，需要进行一系列的加工步骤，以得到最终的芯片。
4.1 切割硅片首先需要根据芯片尺寸的要求进行切割。
常用的切割方法有钻石切割和线锯切割。
通过控制刀具的速度和切割厚度，可以得到理想尺寸的硅片。
4.2 清洗切割后的硅片需要进行清洗，以去除切割时产生的杂质和残留物。
清洗过程中使用酸碱溶液和超纯水进行循环清洗，确保硅片的表面洁净。
4.3 抛光清洗后的硅片表面可能存在微小的凸起或缺陷，需要进行抛光处理。
抛光可以通过机械抛光或化学机械抛光来实现，使硅片表面变得光滑均匀。
4.4 贴膜抛光后的硅片需要进行保护贴膜。
贴膜可以防止硅片表面受到污染和损伤，同时也有助于提高硅片的光学性能和化学稳定性。
4.5 检验最后，对贴膜后的硅片进行质量检验。
检验包括外观质量、尺寸精度和表面平整度等方面的检查，以确保硅片满足要求。
集成电路⼯艺原理（期末复习资料）第⼀章概述1、集成电路：通过⼀系列特定的加⼯⼯艺，将晶体管、⼆极管等有源器件和电阻、电容等⽆源器件，按照⼀定的电路互连，“集成”在⼀块半导体单晶⽚（如Si、GaAs）上，封装在⼀个内，执⾏特定电路或系统功能。
2、特征尺⼨：集成电路中半导体器件能够加⼯的最⼩尺⼨。
它是衡量集成电路设计和制造⽔平的重要尺度，越⼩，芯⽚的集成度越⾼，速度越快，性能越好3、摩尔定律：芯⽚上所集成的晶体管的数⽬，每隔18个⽉就翻⼀番。
4、High-K材料：⾼介电常数，取代SiO2作栅介质，降低漏电。
Low-K 材料：低介电常数，减少铜互连导线间的电容，提⾼信号速度5、功能多样化的“More Than Moore”：指的是⽤各种⽅法给最终⽤户提供附加价值，不⼀定要缩⼩特征尺⼨，如从系统组件级向3D集成或精确的封装级(SiP)或芯⽚级(SoC)转移。
6、IC企业的分类：通⽤电路⽣产⼚；集成器件制造；Foundry⼚；Fabless：IC设计公司；第⼆章：硅和硅⽚的制备7、单晶硅结构：晶胞重复的单晶结构能够制作⼯艺和器件特性所要求的电学和机械性能8、CZ法⽣长单晶硅：把熔化的半导体级硅液体变成有正确晶向，并且被掺杂成n或p型的固体硅锭；9、直拉法⽬的：实现均匀掺杂和复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，限制杂质引⼊；其关键参数：拉伸速率和晶体旋转速度10、区熔法特点：纯度⾼，含氧低；晶圆直径⼩。
第三章集成电路制造⼯艺概况11、亚微⽶CMOS IC 制造⼚典型的硅⽚流程模型第四章氧化12、热⽣长：在⾼温环境⾥，通过外部供给⾼纯氧⽓使之与硅衬底反应，得到⼀层热⽣长的SiO2 。
13、淀积：通过外部供给的氧⽓和硅源，使它们在腔体中⽅应，从⽽在硅⽚表⾯形成⼀层薄膜。
14、⼲氧：Si（固）＋O2（⽓）－> SiO2(固)：氧化速度慢，氧化层⼲燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好.⽔汽氧化：Si （固）＋H2O （⽔汽）－>SiO2（固）+ H2 （⽓）：氧化速度快，氧化层疏松，均匀性差，与光刻胶的粘附性差。
硅片制造流程硅片制造是一个复杂的过程，需要多个步骤以确保硅片的品质和性能。
以下是硅片制造的主要步骤：1.原料准备硅片制造的第一步是准备原材料。
通常使用纯度很高的硅材料，如多晶硅或单晶硅，以确保硅片的优良品质。
此外，还需要其他辅助材料，如石英坩埚、石墨加热器、石墨电极等。
2.熔化将准备好的原材料放入高温熔炉中，加热至硅的熔点（约1415℃），将硅材料熔化为液态。
3.注入在熔化后，通过注入气体或其他方式，将杂质如磷、硼等添加到硅熔液中，以控制硅片的性质和导电性能。
4.切割注入后的硅熔液冷却后成为固体，然后使用金刚石锯将其切割成小块，以便进一步加工。
5.抛光切割后的小块硅片需要经过抛光处理，以去除表面缺陷和杂质，确保硅片的表面质量和光滑度。
6.清洗和检测抛光后的硅片需要经过严格的清洗过程，以去除表面的杂质和污染物。
同时，进行外观检测和电气性能检测，以确保硅片的质量和性能符合要求。
7.薄化和刻蚀为了满足光伏和电子设备的需求，某些类型的硅片需要进行薄化和刻蚀处理。
薄化是指将硅片变薄的过程，而刻蚀则是在硅片表面刻画图案或去除特定区域的过程。
这些处理可以改变硅片的导电性能和光学特性。
8.检验和封装最后一步是进行最终的质量检验和封装。
检验包括外观检测、尺寸检测、电气性能检测等，以确保每个硅片都符合预期的质量和性能标准。
封装则是将检验合格的硅片放入封装盒或其他适当的包装中，以保护它们免受环境因素的影响。
同时，每个封装盒上都会标注该批硅片的型号、规格和其他相关信息，以便于后续追踪和管理。
总之，硅片制造是一个复杂且严格的过程，每个步骤都需要精确控制以确保最终产品的质量和性能。
了解硅片制造的流程有助于更好地理解硅片的特性和应用场景。
工业硅生产实用技术手册第一章硅材料概述1.1 硅材料的基本特性硅是一种重要的工业原材料，具有良好的导热性、耐腐蚀性和化学稳定性。
它是制造半导体、太阳能电池、光纤等高科技产品的重要原料。
1.2 硅材料的主要用途硅材料广泛应用于电子、建筑、化工等多个领域，其中最重要的应用是在半导体行业和光伏领域。
第二章硅材料的生产工艺2.1 硅原料的提取硅原料主要从硅石中提取，通过矿石的选矿、破碎、磨矿等工艺过程，得到硅石粉末。
2.2 硅材料的熔炼将硅石粉末放入炉内进行熔炼，通过高温熔炼使得硅石粉末融化成硅液态物质。
2.3 硅材料的精炼经过熔炼的硅液态物质，需要经过精炼工艺，去除杂质，提高硅的纯度。
第三章硅材料的加工工艺3.1 半导体硅片的制备将精炼后的硅液态物质通过凝固、切割、抛光等工艺步骤，制备成半导体硅片，用于集成电路的制造。
3.2 太阳能电池硅片的制备通过晶体生长技术，将硅液态物质制备成太阳能电池硅片，用于太阳能电池的生产。
第四章硅材料的质量控制与检测4.1 硅材料的物理性能检测对硅材料的密度、热导率、电导率等物理性能进行检测，确保其符合生产要求。
4.2 硅材料的化学成分分析对硅材料中的杂质含量进行分析，确保硅材料的纯度符合生产要求。
第五章硅材料的环保技术5.1 硅材料生产中的废气处理技术对硅材料生产过程中产生的废气进行收集、净化处理，减少对环境的污染。
5.2 硅材料生产中的废水处理技术对硅材料生产过程中产生的废水进行集中处理，达到排放标准，减少对水环境的污染。
第六章硅材料的应用技术6.1 半导体制造中的硅材料应用技术介绍半导体制造中硅材料的应用技术，包括光刻、化学气相沉积等工艺。
6.2 太阳能电池制造中的硅材料应用技术介绍太阳能电池制造中硅材料的应用技术，包括硅片切割、电池片的组装等工艺。
结语通过本手册的学习，读者将能够全面了解工业硅生产的基本工艺、质量控制、环保技术以及应用技术，为工业硅生产提供了全面的指导和参考。
第二章硅和硅片制备硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。
锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：1）硅的丰裕度：硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。
2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限：硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，使得硅可以承受高温工艺。
3）更宽的工作温度范围：用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。
4）氧化硅的自然生成：硅表面有自然生长氧化硅(SiO2)的能力。
SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。
现在，全世界芯片的85%以上都是由硅来制造的。
2.1半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，有时也被称做电子级硅。
从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步。
现介绍一种得到SGS的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。
SiC（固体）+SiO2（固体）→Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体）在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98%。
由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。
第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。
Si（固体）+3HCl（气体）→SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。
2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→2Si（固体）+6HCl（气体）这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。
（图2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。
然而用西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子，所以也不能用在半导体制造中。
2.2晶体结构不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。
只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。
单晶就是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。
非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。
非晶硅对半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关，这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。
在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。
晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体结构。
图2.2表示了由晶胞组成的三维结构。
因为晶体结构在三维方向上是等同的，晶胞有一个框架结构，像一个立方体。
在自然界有7种可能存在的晶体结构。
对于硅晶体来说，它的晶胞是面心立方结构，如图2.3。
如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫做多晶材料。
如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，就叫做多晶硅。
如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶。
半导体芯片加工需要纯净的单晶硅结构，这是因为晶胞重复的单晶结构能够提供制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质。
晶胞在晶体中的方向称为晶向。
晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。
不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。
半导体制造中硅片常用的晶向是<100>、<111>、<110>。
2.3单晶硅生长晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。
生长后的单晶硅称为硅锭。
在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski法，也称CZ法。
另外还有区熔法。
2.3.1 CZ法CZ法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。
85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。
CZ拉单晶炉见图2.4。
坩锅里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（RF）加热线圈。
电阻加热用于制备大直径的硅锭。
当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体。
一个完美的具有所需要晶向的籽晶硅接触到直拉装置并开始生长新的晶体结构。
籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起，它的旋转方向与坩锅的旋转方向相反。
随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。
籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。
随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了。
不同的硅锭生长结果依赖于籽晶和坩锅各自的旋转方向及速度。
2.3.2 区熔法区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。
一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。
用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。
加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分，因为在熔融的晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间。
晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。
区熔法示意如图2.5。
区熔法硅片直径要比直拉法小，由于不用坩锅，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。
2.3.3追求更大直径硅锭的原因硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm,硅片直径的历史发展趋势如图解2.6所示。
更大直径的硅锭对硅锭生长中正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。
随着制备硅锭复杂度的增加,为什么还要继续增加硅片的直径呢?是因为增加硅片直径给硅片制备带来的成本利润。
更大直径硅片有着更大的表面积来做芯片,这样就会在一个硅片上生产更多的芯片。
这带来三大好处: 1)每块芯片的加工和处理时间减少了,导致设备生产效率提高；2)硅片边缘的芯片少了,转化为更高的生产成品率；3)由于在同一工艺过程中有更多的芯片,设备的重复利用率提高了。
2.4 硅中的晶体缺陷为了很好地实现先进IC功能，半导体要求有近乎完美的晶体结构。
晶体缺陷就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。
缺陷密度：在工艺过程中，由于各种原因在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。
研究硅晶体缺陷是非常重要的，因为它对半导体的电学特性有破坏作用。
这些问题包括二氧化硅介质击穿和漏电流等。
随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加，更多的晶体管集成在一块芯片上，缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加。
这样的缺陷对器件的成品率有负面影响。
晶体缺陷会产生于晶体生长和后面硅锭和硅片的各项工艺中。
一些缺陷是因为表面损伤而造成的，例如由于机械操作造成的裂痕的表面缺陷。
在硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：1．点缺陷：原子层面的局部缺陷。
点缺陷存在于晶格的特定位置。
图2.7显示了三种点缺陷。
最基本的一种缺陷是空位。
这种缺陷当一个原子从其格点位置移动到晶体表面时出现。
另一种点缺陷是间隙原子，它存在于晶体结构的空隙中。
当一原子离开其格点位置并且产生了一个空位时，就会产生间隙原子-空位对，或叫Frenkel缺陷。
随着器件技术变得越来越复杂，半导体硅中的点缺陷也越来越重要。
在晶体生长中影响点缺陷产生的因素是生长速率和晶体熔体界面间的温度梯度。
如果晶体冷却速率得到控制，就会有效减少缺陷的产生。
半导体制造中的热处理也能导致点缺陷的产生。
另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到格点里所产生的（只要是氧和碳）。
在制备过程中杂质的引入可能是有目的的，也可能是无意的。
他们能占用原有原子的位置，成为替位杂质，或者在间隙中成为间隙杂质。
2. 位错：错位的晶胞。
见图 2.8。
打个比方，就象整齐排列的一推砖有一层沿一个方向发生了错位。
位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生。
然而发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以及超过硅片承受范围的应力。
一些情况下，位错是由器件制作过程中硅片表面的热氧化所引入的。
3.层错：晶体结构的缺陷。
层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。
滑移就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移（见图2.9）。
另一种层错是孪生平面，就是在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长（见图2.10）。
这种孪生平面是因为在生长过程中的热影响或机械振动而产生的。
在每一边生长的晶体都可能很完美。
无论是滑移还是孪生平面都是半导体制造中不能接受的。
2.5硅片制备硅是硬而脆的材料，晶体生长后的圆柱形的单晶硅锭要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。
这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。
硅片制备的基本流程如图2.11所示。
由于芯片设计和制造要求的不断提高，硅片的制备工艺必须能提供符合更严格规范要求的硅片。
这些要求包括硅片的几何尺寸（直径、平整度和翘曲度）、表面完美性（粗糙度和光的散射性）和洁净度（颗粒的源）。
这些规范会带来诸如自动材料传送中的尺寸控制或者达到IC生产中关键工艺步骤所要求的表面状况等问题。
一．整型处理整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。
1）去掉两端两端通常叫籽晶端和非籽晶端。
当两端被切掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅锭达到合适的杂质均匀度。
2）径向研磨由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，所以硅锭都要长得稍大一点以进行径向研磨。
对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲，精确的直径控制是非常关键的。
3）硅片定位边或定位槽在硅锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。
主定位边标明了晶体结构的晶向，如图2.12所示。
还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型。
六吋以下的硅片都是如此定位的。
八吋及以上的硅片已采用定位槽，具有定位槽的硅片在硅片背面靠近边缘的区域有激光刻上的关于硅片的信息。
如图2.13所示。
二．切片将整型处理后的硅锭切成一片片的硅片。
对200mm及以下硅片来讲，切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。
对300mm的硅片要由线切割机来进行。
线切割比内圆切割产生更多的硅片，但内圆切割能产生平整的切面。
三．磨片和倒角切片完成后，进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。
在硅片制备过程的许多步骤中，平整度是关键的参数。
硅片边缘倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线。
在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中。
平滑的边缘半径能将这些影响降到最小。
四．刻蚀硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污，损伤的深度一般有几微米深，硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性去除表面物质的过程。
硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。
五．抛光制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（CMP），也叫抛光。
