石英砂：高纯度金属硅的基础材料

半导体材料中使用最多的元素是硅，硅在地球表面的元素中储量（近28%）仅次于氧。石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒，主要成分为二氧化硅，是高纯度金属硅生产的重要基础材料。尽管来源丰富，但是集成电路行业中使用的硅纯度要求达到99.999 999 999%，因而需要熔炼和提纯。通常，硅提纯工艺中将二氧化硅与焦煤在1 600～ 1 800℃的高温环境中还原成纯度为98%的冶金级单质硅，而后利用氯化氢提纯出99.99%的多晶硅，进而通过进一步提纯，形成形态一致的单晶硅（硅原子在三维空间中呈现规则有序排列，形成每个晶胞含有8个硅原子的“金刚石结构”，晶体结构十分稳定）。

在超纯硅领域，1926年成立的日本信越化学工业株式会社（Shin-Etsu Chemical）是全球领先的企业。在集成电路发展前，信越化学便开始生产有机金属硅，而集成电路发展时代更是全力优化工艺、拓展市场。在信越的多个事业部中，半导体硅材料事业部是其核心的业务部门之一，在全球最早研制成功了300毫米晶圆，并实现了绝缘衬底上的硅晶圆的产品化，其单晶硅已经可以达到纯度 99.999 999 999%的生产水平。

三菱住友株式会社（Silicon United Manufacturing Corporation，简称SUMCO）成立于1937年，1992年合并了九州电子金属公司，1998年又合并了住友SITIX集团并更名为住友金属工业公司。1999年，住友金属公司、三菱材料和三菱硅材料公司成立联合硅制造公司进军300毫米晶圆业务，2002年住友金属工业的硅制造部门、联合硅制造公司以及三菱硅材料公司合并成立住友三菱硅公司，并于2005年更名为三菱住友株式会社。三菱住友的研发实力雄厚，至2017年为仅次于信越化学的第二大半导体硅材料供应商。

以三菱住友株式会社的工艺为例，最高质量的硅晶圆生产需要极高的工艺水平，其间从二氧化硅中提取出的多晶硅进行加工处理，通过单晶硅的拉伸工艺使之成为单晶硅锭，然后进行切片成为硅晶圆投入市场。这过程中，纯度为99.999 999 999%的多晶硅，将其熔化在充满惰性气体的石英坩埚中，通过晶体生长技术制取单晶硅：在液体状态的硅中加入籽晶，以其作为晶体生长中心，通过适当的温度控制将晶体慢慢向上提升，在逐渐增大拉速的同时以一定速度绕提升轴旋转，从而将硅锭控制在所需直径内。完成后，提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成锥形尾部。制备好的晶圆尺寸越大，效益越高。(www.xing528.com)

单晶硅锭制备完成后，切削掉头部和尾部，修整至目标直径，利用金刚石锯把硅锭切割成厚度均匀、不超过1毫米厚度的晶圆片。切割后的晶圆片，需经仔细研磨、镜面抛光等高级制造工艺，才能使其成为表面极度平滑、极度清洁的硅晶圆片。在此过程中，会用到特殊的化学液体清洗晶圆表面，最后进行抛光研磨处理、热处理形成“无缺陷层”的晶圆片表面，供后续生产用。

德国的世创电子材料（Siltronic AG）也是重要的超纯硅晶圆供应商，总部位于慕尼黑，2004年在全球首家生产300毫米晶圆片。2014年，世创电子以78%的持股、与三星成立了合资公司，在亚洲地区新建200毫米和300毫米硅片厂。世创电子对于硅晶圆的平整度和表面质量方面有着极高的标准，同时还可根据客户需求在生产中掺杂硼、磷、砷和锑等元素。此外，世创电子还可根据客户的要求设计基板硅晶圆片和外延薄膜层。

正因为晶圆产品对质量和工艺有着极高的要求，因此以信越等主要的晶圆厂都保有核心技术，用以维持其市场份额。随着半导体工艺向10纳米以下推进，对硅晶圆的品质要求还将继续升高，在原子层面减小晶体缺陷（杂质、表面不平整、附着颗粒和其他瑕疵因素等）也将是极致的追求，生产设备和加工环境的污染物控制到几近于零。此外，外圆磨削、线切割、边缘切割、激光打标、精研、清洁和蚀刻、抛光、外延等过程所需利用的设备，都要求有极高的精度和最佳匹配的技术参数。