硅晶片成分、制作工艺、原理和种类介绍

在电子产品中，硅晶片是高纯度晶体硅 (c-Si) 的薄片，用于生产集成电路 —— 一种由多个电子元件组成的复合材料。硅晶片在半导体行业中发挥着重要作用，因为它们发现它们在电子和微机械设备中的应用。本文简单介绍下有关硅晶片的相关信息。

硅晶片 (Si Wafer) 是高纯度结晶硅的薄片，也称为基板或晶圆片。硅晶片作为微电子器件的基板，由于其导电性和经济性，在构建电子电路中特别有用。

硅作为整个宇宙中最常见的元素排名第七，也是地球上第二常见的元素。一些常见的含硅材料包括沙滩沙、石英、燧石、玛瑙等。硅是砖、水泥和玻璃等建筑材料的主要成分，它还作为最常见的半导体位居榜首，这使其成为电子和技术领域应用最广泛的半导体材料。

尽管硅晶体可能看起来是金属的，但它们并不完全是金属。由于原子之间容易移动的“自由电子”，金属是电的良导体，电是电子的运动。另一方面，纯硅晶体几乎是绝缘体。允许很少的电流通过它。但是，这可以通过称为掺杂的过程来改变。

掺杂是将少量杂质混入硅晶体以改变其行为并将其集成到导体中。这些用于掺杂的杂质称为掺杂剂。硅本身不能很好地导电，然而它可以采用掺杂剂来精确控制电阻率到一个精确的规格。可以在整个生长过程中添加硅掺杂剂，例如氮、铟、铝、镓和硼。因此，要由非导电硅形成半导体，硅必须变成晶片。

所以，硅晶片，取决于掺杂水平。半导体可以被认为是本征的或非本征的。当它涉及轻或中度掺杂时，它是非本征的，当它涉及高浓度掺杂时，它被认为是本征的。

硅晶片有多种形状和尺寸，主要取决于它们的用途。它们是集成电路中的关键组件，集成电路由几个旨在执行特定任务的电子元件组成。硅是一种具有抛光镜面表面的扁平圆盘，它无处不在，几乎在所有电子设备中都可以找到。因为它表面光滑，提高了纯度，适用于半导体器件。

众所周知，硅晶片制造方法是垂直布里奇曼和Czochralski（cz）方法。另外，由于缺陷少且纯度高，浮区法最近正变得流行起来，它们被广泛用于制造电子设备的芯片和微芯片。

从沙子中提取硅后，需要在使用前对其进行纯化。首先将其加热至熔化成纯度约为99.9999999%或更高且无缺陷的高纯度液体，然后通过使用常见的制造方法（如浮动区或Czochralski工艺）将其固化成硅棒或硅锭。Czochralski的方法包括将一小块固体硅放入熔融硅池中，然后随着液体转变为圆柱形硅锭，缓慢地旋转拉动。这就是为什么最终产品晶圆都是圆盘形的。在它完全冷却之前，将锭的金字塔形末端拉掉。然后使用锋利的金刚石锯片将主体切成相同厚度的薄晶片，这也说明了为什么锭的直径将是晶片尺寸的决定因素。 

在1950年代半导体工业的初期，硅晶圆的直径只有3英寸。从那时起，硅晶圆尺寸稳步增加，从而以更低的成本生产更多的芯片并提高生产力。半导体晶圆有多种直径，从25.4毫米（1 英寸）到300毫米（11.8 英寸）。虽然可以使用450毫米（18 英寸）直径的晶圆，但尚未广泛使用。

此外，重要的是，要知道成品晶圆的厚度和直径必须对应于晶圆将用于制造的材料的机械强度和其他物理质量，成品必须足够坚固以支撑其重量而不会在处理晶圆各种应用的产品时破碎。随着在切片的制造中添加更多材料，晶片的直径增加，晶片的重量也增加。当添加了足够的重量时，直径不能增加，因为它会损害切片的强度。

如果重物放置不当，相对较小的压力就足以破坏晶片。切片后的晶圆必须经过加工才能用于制造。机器和研磨化学品用于将晶片的粗糙表面抛光至完美光滑的光洁度，无可挑剔的表面使晶圆表面的印刷电路布局更容易。

1、Edge Die(chips) : 视为生产损失，晶片边缘的芯片。较大的晶圆具有较少的芯片损失。

2、划线：在功能部分之间，有狭窄的非功能区域，锯可以安全地切割晶片而不会破坏电路。这些薄区域是划线。

3、芯片：一小块具有电子电路图案的硅片。

4、平坦区：被拉离平坦的晶片边缘以帮助晶片定向和类型识别。

5、测试元件组 (TEG)：一种原型模式，显示芯片的实际物理特性（二极管、电路、电容器、晶体管和电阻器），以便对其进行测试以了解其是否正常工作。

所有硅晶片都是非常有用的组件，只是有不同的变化用于不同的目的。因此，必须了解不同类型的硅晶片。目前常用的硅片主要有两种，分别是：

1、未掺杂硅片；未掺杂硅晶片，也称为本征或浮区 (FZ)，其中没有任何掺杂剂。它们由严格的纯晶体硅制成，这种类型的硅片被公认为是理想的半导体。

2、掺杂硅片；掺杂硅片是通过在形成过程中将掺杂剂（某些杂质）引入到硅晶体中来形成的。当将硼添加到混合物中时，会产生P型掺杂硅晶片。P型硅晶片有许多带正电的空穴。为了生产N型掺杂硅晶片，将添加磷、砷或锑等元素。N型硅片中有一个带负电的电子。在晶片中发现的掺杂剂的数量将确定它是本征的还是非本征。本征意味着其中掺杂剂的浓度更高，而非本征意味着它具有很少或中等掺杂剂。

如上所述，硅晶片的主要用途是在集成电路 (IC) 中，因为它构成了IC的关键组件。IC是协同工作以执行特定任务的电子元件的集合。尽管随着时间的推移已经对不同的半导体进行了测试，但硅已被证明是一种更稳定的选择。硅晶片用于世界各地的各种小工具。它的应用跨越不同类型的行业。以下是硅晶片部分应用：

1、半导体

半导体有不同的形式和形状，是各种电子设备的组成部分。这些包括晶体管、二极管和集成电路。它们是使用硅晶片制造的，这有助于它们的紧凑性和效率。由于它们能够处理广泛的电压或电流，它们被用于光学传感器、功率器件甚至激光器。

2、电子与计算

硅晶圆广泛用于电子和计算领域，因此推动了数字时代的发展。RAM芯片是一种集成电路，由硅晶片制成。这使得硅晶圆在计算行业中占有重要地位。此外，硅晶片通常用于制造许多设备，如智能手机、汽车电子、家用电器和无人机技术。实际上，任何电子电路设备都有硅晶片的高级用例，新的制造技术和自动化工艺使它们更加有效和高效。

3、光学

对于光学分级，抛光的硅晶片通常是专门制造的。硅晶片是反射光学和红外线 (IR) 应用的完美经济材料。浮动区或CZ制造方法用于制造用于光学的硅晶片。这是因为这些方法产生的缺陷更少并且比其他方法更高。在世界范围内的微光学和光纤设备中都有使用。一个明显的例子是相机中使用的由互补金属氧化物半导体 (CMOS) 制成的图像传感器 (CIS)。 

4、太阳能电池

太阳能电池需要硅晶片来提高效率并吸收更多阳光。经常使用非晶硅、单晶硅和碲化镉等材料。制造工艺，如浮区法，可将太阳能电池效率提高近25%。就像微芯片一样，太阳能电池也遵循类似的制造工艺。太阳能电池所需的纯度和质量水平并不像计算和其他电子产品那样苛刻。

5、航空航天

由于其优越的性能和品质，硅晶片自诞生之日起就被用于航空领域。硅晶片在航空工业中经常用作覆盖和粘合材料，并用于保护精密工具免受极端温度的影响。几十年来，由于它的广泛使用和对高温的耐受性，它一直是一个很好且值得信赖的选择。有机硅是该行业最常用的材料。在长链氧上形成的具有化学粘合性的聚合物以及硅成分构成了其中的大部分。硅晶圆在飞机原始设备制造 (OEM) 以及维修、维护和大修中非常有用。

集成电路被称为芯片，它是一种小型电子设备，是电路、通路和晶体管等的封装，所有这些都协同工作以执行特定任务或可能是一系列任务。这些芯片是微处理器、音频和视频设备以及汽车等大多数现代电子设备的支柱。集成电路嵌入晶片中。芯片包含电子元件，如晶体管。

硅晶圆是一片薄薄的半导体材料，该切片用于集成电路的制造。它就像一个可以形成集成电路的基础。这些薄片被视为电子产品的心脏。晶片上的微电路是由各种物质的扩散和沉积构成的。不断发展的电子行业总是倾向于形成更薄的芯片，与以前的版本相比，这些芯片效率更高，成本更低。

所以，晶圆和芯片的主要区别是：晶片充当芯片的基底或将芯片嵌入晶片中，它们共同构成了在电子领域广泛使用的重要单元。

硅晶片几乎用于人类生活的每一个元素和技术的进步，由于其相对于其他半导体材料的稳定性，硅晶片是技术领域中使用最广泛的材料。

与其他金属物质相比，它们不仅提供了更好的选择，而且在地球上也广泛使用。正是由于对硅、碳化硅（SiC）、锗、砷化物和镓等半导体材料的开发和研究，才有可能在如此巨大的水平上取得技术进步。

另外，由于硅晶片的应用，促进IC技术不断发展，科学家和研发人员利用它来将大型笨重的机械减少为仅便于携带的手持设备，这已成为大多数制造业领域的广泛而创新的变革。正在进一步研究通过掺杂半导体晶片来增加尺寸和控制性能。因此，在不久的将来，咱们一起期待硅晶片的更复杂的发明。