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今天过来水一篇文章，聊一聊当下发紫的热点——半导体制造之工艺科普篇之晶圆准备。

首先，简单普及“半导体”这个概念（一种比较狭义的理解）：

“半导体”，主要针对“良导体”（金属）和“绝缘体”（塑料）而言；

“半导体”可以通过电气控制呈“导通”和“断开”；

“导通”和“断开”本身可以理解成数字逻辑电路里的‘0’和‘1’这两种最基本的存在；

然后，思考一个更宏大点的问题，地球人类的终极命题和挑战是什么？有的人认为是能源，有的人认为是环境，我认为可能是材料、是化学（反正不大可能是SerDes到底需要跑到多高速率，用多少制程的工艺来设计优化，此处应该有揶揄的笑声），因为地球终究是一个物质的地球，是一个元素化的地球。一张元素周期表真所谓博大而精深，地球很多的玄机和谜底或许都在这一张表里。

把物质进行无限分割，直到能呈现物质特性的最小单位，那就是原子。把原子再进行分割，就会产生构成原子的三要素，也就是亚原子粒子：质子、中子、电子。著名物理学家尼尔斯-玻尔最早提出把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。

元素，也就是原子结构，最重要的第一条规则和概念：

原子序数=原子内质子数=原子内电子数

玻尔的原子模型中，质子和中子聚集在原子核内，而电子围绕原子核在固定的轨道上运动（恰如宏观世界行星围绕恒星的轨道模型），但需要注意的是，围绕原子核的电子轨道是分层的，从里道到外道，每个轨道所能容纳的电子数是一定的，填不满的位置称之为“空穴”，每填满一道，剩下的电子就往外层轨道去。

IV-A族元素（半导体元素）

III-A族元素（半导体化合物元素）

V-A族元素（半导体化合物元素）

I-B族元素（金属元素）

第二条规则：有相同最外层电子数的元素有着相似的性质。

第三条规则：最外层被填满、或者拥有8个电子的元素在化学性质上更稳定，原子会试图与其它原子结合而形成这一稳定的条件。

那么，这和半导体又有什么关系呢？

这就要从“导”这个字着手。很多材料的一个重要特性就是导电，也就是支持电子的流动。如果材料中原子核对于轨道电子的束缚较弱，那么电传导就可以进行，相反如果原子核对于轨道电子的束缚很强，那么电传导就难以进行。挣脱原子核束缚的外层电子被称为“自由电子”，这个“强/弱”“难/易”的程度就用电导率来衡量。

简单直观理解，半导体的电导率介于良导体和绝缘体之间。但，更为神奇的是，本征半导体通过掺杂，可以大大提高其导电性，而且，尤其重要的是：

掺杂材料表现出两种独特性，它们是固态器件的基础：

通过掺杂可以精确控制电导率

可以产生电子或空穴两种多载流子导电

这里首先特别强调第二点，“电子”作为多子的掺杂半导体称为N型半导体（或者叫做N掺杂），而“空穴”作为多子的掺杂半导体称为P型半导体，同样浓度的掺杂，N型比P型的电导率要高（因为在材料中移动一个电子和“移动一个空穴”所需要的能量是不同的），如下图所示：

那么很显然，良导体，譬如说某种金属材料，只能看做是N型导体，因为它永远都只能通过自由电子来导电。那么它的电导率似乎只能通过改变其形状来改变；然而对于掺杂半导体，通过控制掺杂材料的浓度和掺杂类型，就可以作到精准控制电导率，额外引入的这样一个变量是程序可控的，正是这一点赋予了半导体神奇的力量。

简单描述一下，为什么是‘硅’？

本征半导体你可以选择“硅”和“锗”，化合物半导体你恐怕有更多的选择：“砷化镓”“磷化铟”“磷砷化镓”等，它们都能满足原子结构的第三条——维稳的规则。

首先，“硅”优于“锗”主要在于其高熔点的特质，高熔点就意味着增加了很多高温工艺的可能；另外硅具有天然的氧化物可用于防控表面漏电。

其次，相较于化合物半导体，客观来讲，它们性能上各有千秋，甚至于化合物半导体有更加优秀的性能，诸如：超高频高速、天然辐射加固、天然抗漏电等等，但“硅”依然成为当下主流的半导体材料，归根结底是赢在了生产制造的难度上，制造难度就意味着良品率、生产时间，也就是成本，权衡性能、市场需求、以及生产成本，‘硅’暂时胜出。

当然，这只是当下的格局，但随着摩尔定律影响力的消弭，以及市场对速率刚性需求的继续攀升（Serdes还是要跑到更高更快的速度），硅是否还能主导并领英半导体制造，实为未知之数。

接下来，简单谈一谈硅晶圆的制备。概括来说，就是从沙子转变成半导体级硅的制备，再将其转变成晶体和晶圆，以及生产抛光晶圆的整个工艺流程。

首先，介绍几个无比重要的概念。

什么是晶体？原子在整个材料里重复排列成固定的结构，这种材料就叫晶体，比如金刚石。相反，原子没有固定的周期性排列，称为非晶体，或者叫无定形，比如塑料。

再往细一点说，晶体的构成包含两个级别的过程，第一个级别涉及到两个概念，晶胞和晶格。这两个概念在我的理解看来，晶格是一种几何描述（空间点阵的周期性延伸），而晶胞是一种物理描述（构成晶体的最小‘细胞’单元。而晶体就是这一单元的无限重复，怎么样，听上去是不是有点像混沌理论里面的分形？）。而第二个级别描述的就是这一重复的方式。当晶胞之间的排列呈现杂乱无章的时候，这样的材料具有多晶结构；相反，如果晶胞之间的排列整齐有序时，称为单晶结构。

单晶比多晶材料具有更一致和更可预测的特性。单晶结构允许在半导体里呈现一致和可预测的载流子流动。有经验的从业人员都有认识：集成电路性能的一致性对于产品化至关重要。因此，用于半导体电路制造的晶圆，就必须是单晶结构。

那么自然而然就引出了：“拉单晶”这一家喻户晓的词。我们最后就过分简单地讲一讲，大家伙最关心的这个拉单晶的过程（拉法有很多，这里仅抽象画介绍拉的过程）。

先简单回顾一个大伙在初中化学学过的实验：硫酸铜晶体的制备：拣取一颗晶形比较完整的小晶体,用细线系住，悬挂在盛饱和硫酸铜溶液的烧杯里，并加盖静置。每天再往烧杯里加入少量微热的饱和硫酸铜溶液，小晶体会逐渐长大，成为一块大晶体。

典型的无性繁殖，是的，‘拉单晶’就是这样一个无聊的无性繁殖的过程。

籽晶是这一过程中最紧要的概念，它是具有和所需晶体相同晶向的小晶体。在实际应用中，它们是一片片以前生长的单晶并重复使用。更形象一点的理解：这个东西类似于‘种猪’，一种可重用的用来复制生长的种子单晶。

故事说到这，我认为作为一篇科普，已经到位了。在本篇的最后，附送一个彩蛋QM：如下图，为什么我们经常看到的晶圆，似乎都是这么一个带点缺悍的形状（其实姿势有更多种，不单单是这样姿势的缺口，但这个姿势最为典型）？（仔细观察，其实咱们这个