晶圓制備——如何從沙子到wafer？（一）

　　我們所講的半導體制造，它的載體一定是晶圓(Wafer)，這個東西是怎么來的？我們今天就來好好講講。

　　前面講N-Si和P-Si摻雜的時候講過了，我們的Si一定都是單晶晶格的，而摻雜的原子必須跑到它的晶格上與Si形成共用電子對的共價鍵后多出電子或空穴而參與導電，如果我們用了多晶或者非晶，這些沒有規律的結構導致我們無法掌控他的載流子遷移率所以無法控制它的電性，所以我們的wafer一定要是是Si的單晶。當然晶體的結構分三種：非晶(Amorphous)、多晶(Polycrystalline)、單晶(single crystalline)。非晶就是沒有規則沒有重復的結構，單晶是指晶體結構一致性且長程有序，而多晶顧名思義就是小范圍內有順序，而大范圍內無序，所以是短程有序。分別如下圖。

　　現在我們來講講，為什么用為什么用沙子做為原材料來制備晶圓？選擇沙子的主要原因是因為沙子的主要成分是SiO2，而半導體的原材料就是硅(Si)，所以直接從沙子里面提取就可以了。其次是他便宜，因為它取之不盡用之不竭，沙子到處都是吧。而且Si在地球的元素含量僅次于氧，多的很呢。當然為什么后面又發展到GaAs、SiGe、GaN？我后面再講，主要是因為禁帶寬度。

　　先簡單講下硅(Si)的特性吧，臺灣的教材叫做“矽”。英文名叫Silicon。原子序號為14，原子量為28。在晶格中Si-Si鍵的長度是2.352A，固體密度是2.33g/cm3，熔點是1414C，正四面體結構。說起晶格，自然就有晶向和晶面的概念，我們的半導體晶向有<100>，<110>和<111>三種晶向，晶面自然就有[100]，[110]和[111]三種，分別如下圖所示。所以沿著晶向(正對著晶面)的放下看下去你看到的原子排布是不一樣的(想象下立方體各個角度看到的頂點)，如果用蝕刻去吃Si，所以在每個面沿著晶格吃下去的凹坑也會不一樣了(這就是為什么有各種各樣的晶格缺陷)，如下圖所示。

　　上面講的完整的晶格，當然很多情況下晶格都是有缺陷的，有Si脫離晶格進入間隙，有雜質不在晶格上而在間隙里(interstitial)，當然多個缺陷在一起那就是錯位了(dislocation)，比如層錯、位錯、堆垛層錯(stacking faults)等等。而這些dislocation都是將來俘獲載流子的中心(Trapping center)導致載流子壽命降低而影響電性或產生漏電。

　　如何從沙子到硅(Si)？雖然我們嘴巴上說硅片是從沙子來的，但是這期間的艱難又有誰人知啊？簡單點講就是要提純成多晶硅，然后再用多晶硅為原材料制造單晶硅。