纯度达99.999999999%,芯片制造离不开这种原材料

subtitle 了不起的中国制造08-07 06:25 跟贴 7458 条
电子级多晶硅是纯度最高的多晶硅材料,其纯度要求达到99.999999999%。更高的纯度意味着更加复杂的生产和提炼过程,“11个9”的纯度,相当于5000吨的电子级多晶硅中总的杂质含量仅有不到一枚1元硬币的重量。

出品| 网易新闻

作者| 雪鸮,科技爱好者

中国是世界最大的电子产品生产国和消费国,近年来,在集成电路和通讯技术上,中国已经取得了一定的技术积累,得到了社会各界广泛的关注,但是,在芯片产业最基础的原材料——电子级多晶硅上的技术积累不足,中国几乎完全依赖进口,大规模工业化提纯技术也掌握在外国手里,原料采购不仅溢价高,而且受制于人。

这种局面终于得到了改变,前段时间,纯度要求达到99.999999999%的电子级多晶硅终于全面量产,相信能够满足最先进芯片的制作要求,支撑起“中国芯”的腾飞。

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(一)为什么半导体行业用高纯度硅做基础材料?

硅是一种随处可见的元素,在地壳中的含量高达26.3%(仅次于氧),但高纯度的单质硅却是一种战略级别的先进基础材料,拥有着众多独特的性质,符合光伏产业和半导体产业对元器件的独特要求。

以硅为基础材料制作的太阳能电池板能够根据光电效应单向输送电流

在正常的环境下,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米。在硅晶体中,每个原子具备四个电子,不多不少,所有外层电子都形成了完美的共价键,不能到处运动,导致了电阻率奇高,几乎就是绝缘体——只能通过极小的电流。

表面上看,似乎硅并不是很好的材料,但高纯度的单质硅却受到以下几种条件的影响,使得它的性能具备很大的可塑性。

热敏性

硅的电阻率与温度有密切的关系,随着温度升高,电阻率会明显变小,在1480摄氏度左右时达到最小。换句话说,在正常使用的状态下,温度越高,导电性就越强,这就给了光伏和半导体器件更多使用上的便利。

光电特性

硅材料对光十分敏感,无光照时,电阻率较大;受到光照时,电阻率会大幅下降,这种半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。

利用“光导电”特性以及光电效应制作的光电器件就是常见的光伏电池,作为一种新能源,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的清洁能源。

掺杂特性

纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极少量杂质元素后,其导电能力会发生明显的提高。

因此,人们对于硅材料的纯度有着极高的要求,芯片性能越高,对硅原材料的纯度要求就越高,为了避免杂质对半导体材料的污染,出现导电率的重大偏差,硅料的生产必须在无尘环境下。在此基础上可以给半导体掺入微量的某种特定杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件。

一般使用的单质硅材料分为多晶硅和单晶硅两种,它们都可以用来制作光伏电池。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质上:多晶硅晶体的导电性远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。高纯度的多晶硅在单晶炉中经过简单的熔炼后,就可以形成单晶硅(整块材料由一个晶粒生长而成),切片后供集成电路制造所用。

单晶硅表面呈现规则的金字塔状绒面(左),多晶硅表面呈现孔状绒面(右)

(二)中国光伏级多晶硅产能充足,电子级多晶硅缺口巨大

与简单的电路不同,半导体集成电路有信号输入和输出的需求,原材料需要满足绝对的单向导电性。

前面提到过,高纯度的硅单质几乎是绝缘体,但是通过对高纯度硅内部混入杂质,可以形成两种不同类型的半导体:N(negative,负)型和P(positive,正)型。

N型硅是指在硅中掺杂微量的磷或砷,磷和砷的外层有五个电子,而硅只有四个电子,所以它们的第五个电子没有结合键,可以自由移动,因此N型硅本身是一种良好的导体。

P型硅则与N型硅相对应,微量掺杂使用硼或镓,它们只有三个外层电子,由于缺少一个电子,硅无法形成化学键,所留出的孔可以导电,因此在晶体结构中产生了“空穴”,很容易吸引电子结合。P型硅也是一种良好的导体。

将N型硅和P型硅结合起来后,它们的结合部就会产生奇特的性质。

如果P型硅和N型硅像下图一样结合起来,它们就可以很好地传播电流,N型硅中的自由电子受到电池负极驱动,P型硅的孔则方便接受这些自由电子,孔和电子在PN结合部相遇,电子会迅速填充到这些孔中,形成平衡,在结合部产生电流。

PN结的形成

但如果把P型硅和N型硅的位置转换过来,N型硅中的电子会被吸引到正极,而P型硅中的正电子会被吸引到负极,结合部中几乎不产生电流,整个电路就无法有效传导任何电流。

也就是说,PN型硅的结合体在一个方向允许电子的传输,而在另一个方向上阻止电流通过,类似于地铁站中的验票机——我们称之为单向导电性。

基于这种逻辑,人类发明了二极管,构建了现代集成电路的宏伟技术大厦。

为了尽可能精确地控制半导体分立器件的物理性质,基础硅原料单单具备光伏级的纯度是不够的。

中国在前几年曾经大力扶持发展太阳能光伏产业,使得光伏级多晶硅的产量迅速攀升,目前的产能已经有些过剩。而电子级多晶硅的生产技术标准与光伏级多晶硅差别极大,对精细化工水平有着极高的要求。

相比光伏级多晶硅99.9999%的纯度,电子级多晶硅的纯度要求达到99.999999999%。更高的纯度意味着更加复杂的生产和提炼过程,“11个9”的纯度,相当于5000吨的电子级多晶硅中总的杂质含量仅有不到一枚1元硬币的重量。

这使得光伏级多晶硅的生产工艺基本无法起到借鉴作用,难以通过技术升级直接转化为电子级生产线,也就是说需要另起锅炉才能造出满足需求的产品。

电子级多晶硅对精细化工技术有着极高的要求

(三)电子级多晶硅的量产,让中国芯片产业无后顾之忧

根据业内人士的统计,目前国内电子级多晶硅的年度需求大约是4500吨,总量远远不及光伏级多晶硅,但利润空间极大。

从近年的发展状况来看,多晶硅产业链在中国得到长足发展,在全球市场上已然占据不小的比例,但技术上仍然不够先进,电子级多晶硅仍然依赖进口。

如果这一状况无法得到改变,这种关键基础材料的缺失会让中国电子制造领域的追赶化为空谈。

近年中国多晶硅产量不断攀升,但多是光伏级多晶硅

电子级多晶硅是纯度最高的多晶硅材料,中国电子级多晶硅的投产,不仅打破了国外技术的垄断,填补国内电子级原材料生产的空白,也意味着中国很快将成为美国德国之后全球第三大电子级硅材料生产国。

电子级硅原料可用于制作晶圆

经过一系列严格的验证、检测,近日,中国一批电子级多晶硅成功出口韩国,这是中国首次向国际市场出口电子级多晶硅材料,标志着中国半导体集成电路用硅料已经达到国际一流质量标准。

目前中国投产的第一条生产线的产能为5000吨,可保证国内企业近年内电子级原材料供应充足,产品质量能够满足40nm及以下极大规模集成电路用12英寸单晶制造需求,并少量出口。

同时,中国还规划在未来增设两条5000吨生产线,以更好地满足国际国内市场,并由此一跃成为世界第一的电子级硅原料生产国,彻底摆脱受制于人的局面。

结语

任何产业的蓬勃发展都离不开基础原材料的保障,电子制造产业同样不能例外。

集成电路被誉为电子信息产业“皇冠上的明珠”,是一个国家电子信息产业的基石,更是判断一个国家工业水平的一种标准。随着核心技术的突破,中国高性能多晶硅产业必定能够迎来自身的契机,带动整条电子制造产业链的成长。

集成电路这场宴会,中国人不能缺席。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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编辑| 史文慧

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