一、什么是高纯度硅晶圆
硅： 地球上储量第二丰富的元素（仅次于氧），主要存在于沙子（二氧化硅）中。高纯度： 指硅材料的纯度极高，通常达到 “电子级” 标准。这意味着杂质浓度极低，通常要求纯度在 99.9999999% 以上（即 9N 或更高，如 11N）。任何残留的杂质（如硼、磷、碳、氧、金属原子）都会严重影响硅的半导体电学性能。将超高纯度的硅单晶锭，通过极其精密的切割、研磨、抛光和清洗等工艺，加工成的薄圆片就是高纯度硅晶圆片。目前主流尺寸有 150mm (6英寸)、 200mm (8英寸) 和 300mm (12英寸)，下一代 450mm (18英寸) 仍在研发中。厚度通常在几百微米（µm）量级（如 300mm 晶圆约 775µm 厚）
二、硅晶圆片在半导体江湖中的地位
高纯度硅晶圆是半导体工业中最核心、最基础的材料，没有之一。它们构成了现代电子设备（从智能手机、电脑到汽车和航天器）中集成电路（芯片）的物理载体和功能平台。
三、硅晶圆片的参数指标
高纯度硅晶圆核心参数表
| 参数类别 | 参数名称 | 典型值/要求 | 关键说明 |
|---|---|---|---|
| 纯度 | 电子级硅纯度 | ≥ 99.9999999% (9N) (高端应用如功率半导体可能需 11N) |
杂质浓度极低（通常 < 10 ppb）。 关键杂质：硼(B)、磷(P)、碳(C)、氧(O)、金属原子（铁、铜等）。 |
| 晶体结构 | 晶体类型 | 单晶硅 | 原子排列高度有序、方向一致。 |
| 主要晶向 | <100> <111> |
晶体生长的方向，影响器件的电学性能和制造工艺。 <100> 是CMOS逻辑电路最常用晶向。 |
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| 几何尺寸 | 直径 (主流) | 150mm (6英寸) 200mm (8英寸) 300mm (12英寸) (研发中: 450mm/18英寸) |
晶圆尺寸越大，单个晶圆上能生产的芯片越多，效率越高，但对制造设备和工艺要求也越高。 |
| 厚度 | ~625µm (200mm) ~775µm (300mm) (实际值随工艺节点和厂商略有差异) |
厚度需提供足够的机械强度以支撑后续加工，同时要尽可能薄以降低成本（尤其对薄晶圆需求如3D封装）。 | |
| 表面质量 | 表面粗糙度 (Ra) | < 0.2 nm (原子级光滑) | 通过化学机械抛光(CMP)实现，对光刻等关键工艺至关重要。 |
| 局部平整度 (SFQR) | < 10 nm (甚至更低，如几纳米) (在指定区域如26x8mm或26x32mm内) |
衡量晶圆表面微小区域的平整度，对先进光刻（尤其EUV）的聚焦和套刻精度有决定性影响。 | |
| 整体平整度 (TTV) | < 1 µm (通常更低) | 整个晶圆表面最高点与最低点的厚度差。影响光刻均匀性和后续工艺。 | |
| 表面颗粒/缺陷 | 极低数量 (通常要求 >0.1µm 颗粒数 < 10-20个/片，且无致命缺陷) |
任何表面缺陷或颗粒都可能导致器件失效。需在超净环境中制造和清洗。 | |
| 电学特性 | 电阻率 | 范围很广 (约 0.001 – >1000 Ω·cm) | 通过精确控制掺杂浓度（硼/磷等）实现。 不同电阻率用于制造不同类型的器件（如低阻用于衬底，高阻用于功率器件）。 |
| 掺杂均匀性 | 极高均匀性 (±1-2% 或更好) | 晶圆内部和晶圆间的掺杂浓度必须高度一致，确保器件性能的均匀性。 | |
| 氧含量 | 间隙氧浓度 (Oi) | 可控范围 (如 5 – 20 ppma, 根据需求) | 晶体生长过程中引入。 适量氧能增强机械强度（内吸杂），但过量氧可能形成氧沉淀物影响器件性能。需精确控制。 |
| 金属杂质 | 过渡金属含量 | < 10¹⁰ atoms/cm³ (极低) | 铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)等金属杂质会形成复合中心，显著降低少数载流子寿命，严重影响器件性能和良率。需严格控制在极低水平。 |
| 参考标准 | SEMI 标准 | SEMI 标准 (如 SEMI M1 – 硅单晶抛光片规范) | 行业广泛遵循的标准化规范，定义了尺寸、公差、物理和电学特性、测试方法等要求。 |
四、硅晶圆片的主要应用领域
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集成电路： CPU、GPU、内存（DRAM， NAND Flash）、微控制器、各种数字和模拟芯片。
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功率半导体器件： MOSFET、IGBT、二极管（纯度要求可能更高，常用区熔法硅）。
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传感器： 图像传感器（CMOS）、MEMS 传感器（压力、加速度、陀螺仪等）。
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太阳能电池： 虽然纯度要求（太阳能级， 6N-7N）低于电子级，但硅片（通常是多晶硅片）也是光伏产业的基础材料。
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