为什么要用硅材料做芯片？未来有材料能取而代之吗

芯片的原材料是晶圆，而晶圆的成分是硅。尝尝有一种说法误解为“沙子可用来制造芯片”，实际上并非如此。沙子的主要化学成分是二氧化硅，玻璃和晶圆的主要化学成分也是二氧化硅。但不同之处在于，玻璃是多晶硅，高温加热沙子可以得到多晶硅。而晶圆是单晶硅，如果用沙子做还需要进一步将多晶硅变为单晶硅。

硅材料到底是什么，又为什么能被用来制造芯片呢，在本文中我们将逐一为大家揭晓。

首先我们要明白的是，硅材料并不是直接就能跳到芯片这一步，硅是由石英沙所精练出来的硅元素，硅元素质子数比铝元素多一个，比磷元素少一个，它不仅是现代电子计算器件的物质基础，也是人们寻找外星生命的基本可能元素之一。通常，我们在对硅元素进行提纯炼化(99.999%)后，就可以将其制造成为硅晶棒，再将硅晶棒进行切片，得到的就是晶圆了。切割出来的晶圆越薄，芯片制造的成本就越低，但是对芯片工艺的要求也更高。

(图片源自OFweek电子工程网)

硅变成晶圆片要经历三个重要步骤

具体来看，硅变成晶圆可以划分为三个步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

在自然界中，硅一般是以硅酸盐或二氧化硅的形式存在砂石中，将沙石原料放入2000℃高温且有碳源存在的电弧熔炉中，利用高温让二氧化硅与碳反应(SiO2+2C=Si+2CO)，从而得到冶金级硅(纯度约98%)。但这种纯度的硅还不足以用来制备电子元器件，因此还要对其进一步提纯。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%，成为电子级硅。

那么如何从多晶硅中得到单晶硅呢？最常用的是直拉法，将多晶硅放在石英坩埚中，用1400℃的温度在外围保持加热，就会产生多晶硅熔化物。当然，在这之前会把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物会粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。最后对单晶硅棒进行滚磨、切割、研磨、倒角、抛光等工艺，就得到了最重要的晶圆片了。

按照切割尺寸的不同，硅晶圆主要可划分为6英寸、 8英寸、 12英寸及18英寸等。硅晶圆片尺寸越大，每块晶圆上就能切割出更多的芯片，单位芯片的成本也就更低。

为什么说硅是最适合造芯片的材料?

理论上来说，所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅材料为什么最适合做芯片，主要原因有下：

1、按地球元素含量排行，依次为：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料;

2、硅元素化学性质和物质性质都十分稳定，最早的晶体管其实是使用半导体材料锗来制作的，但是因为温度超过75℃时，导电率会出现较大变化，做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，因此选取硅元素作为芯片材料更加合适;

3、硅元素提纯技术成熟，成本低，如今硅的提纯可以达到99.999999999%;

4、硅材料本身无毒无害，这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

硅材料制成品主要用途

在半导体产业中，硅材料多被用于制造二极管/晶体管、集成电路、整流器、晶闸管等等，具体来看，硅材料制成的二极管/晶体管多用于通讯、雷达、广播、电视、自动控制等;集成电路多用于各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子秒表、仪器仪表等;整流器多用于整流;晶闸管多用于整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器等;射线探测器多用于原子能分析、光量子检测;太阳能电池多用于太阳能发电领域。

未来有没有可以出现替代硅的芯片材料?

硅是如今应用最广泛的半导体材料，但被誉为“新材料之王”的石墨烯的出现，让很多专家预测，石墨烯很可能成为替代硅的绝佳选择，但主要还是取决于它的产业化发展情况。

石墨烯为什么会被人看好?除了其本身拥有不逊色于硅的半导体属性之外，还拥有很多硅不具备的优点。由于硅材料的加工极限被认为是10nm线宽，换句话说，制程小于10nm，硅产品也就越不稳定，对工艺的要求就越高。要想实现更高的集成度和性能，就必须采用新的半导体材料进行加工，石墨烯正好是一种不错的选择。科学家曾在常温下观察石墨烯的量子霍尔效应，这种材料碰到杂质时不会产生背散射，这说明它有很强的导电性。此外，石墨烯看上去近乎透明，其光学特性不仅十分优异，还能随石墨烯厚度的改变而改变。因此人们判断，这种特性很适合应用于光电子领域。

之所以看好石墨烯，或许还取决于它另外一个身份：碳纳米材料。碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝、中空的管体，导电性能极好，而且管壁很薄。理论而言，同样的集成度下碳纳米管芯片比硅芯片更小;此外，碳纳米管本身产热很少，加上有良好的导热性，能够减少能耗;从获取碳元素的成本考量，碳的分布广泛，在地球中的含量同样巨大，因此获取碳材料并不难。

当然，石墨烯目前已经被应用在屏幕、电池、可穿戴设备上，科学家对此领域的研究也有了不小的进展，但总体来看，想要石墨烯真正替代硅，成为芯片的主流材料，还需要在制造工艺以及配套器件的技术上付出更多努力。