硅作为集成电路半导体材料的主要原料，在大地中含量丰富（占地壳27%），提纯和结晶方便，在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸。硅的器件工作温度高，能达250 °C，其表面能形成牢固致密的SiO2膜，SiO2膜层能充当电容的电介质、扩散的隔离层、器件表面的保护层，使器件的稳定性提高。单晶硅生长是指从石英砂开始到转变成一个大单晶，其间给予正确的定向和适量的掺杂，成为半导体级硅的过程。

1.石英砂与电子级硅（SGS）

半导体制备的第一个阶段是从选取和提纯半导体材料的原料开始。石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒，如图2.11所示。石英石是一种非金属矿物质，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。石英砂的颜色为乳白色或无色半透明状，莫氏硬度为7。石英砂是重要的工业矿物原料，非化学危险品，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及防火材料、冶炼硅铁、冶金熔剂、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料，滤料等工业。

图2.11　石英砂（粗、细）

石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，石英砂的密度为2.65，堆积密度（1-20目为1.6～1.8），性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点为1750 °C。石英砂是无色、透明的石英的变种。石英砂岩是固结的碎屑岩石，含量达95%以上，来源于各种岩浆岩，沉积岩和变质岩，重质矿物较少，伴生矿物为长石、云母和黏土矿物。石英砂中矿物含量变化较大，以石英为主，其次为长石、云母、岩屑、重矿物、黏土矿物等。石英有较高的耐火性能，工业上将石英砂常分为普通石英砂，精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉等。高纯硅的制备一般首先由硅石（SiO2）制得工业硅（粗硅），再制成高纯的多晶硅，最后拉制成半导体材料硅单晶。从矿石到电子级硅（Semiconductor Grade Silicon，SGS）的转变如下：工业上用硅石（SiO2）和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1 600～1 800 °C而制得纯度为95%～99%的粗硅，粗硅中一般含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这些杂质多以硅化构成硅酸盐的形式存在，为了进一步提高工业粗硅的纯度，可采用酸浸洗法，使杂质大部分溶解（有少数的碳化硅不溶）。其生产工艺过程是：将粗硅粉碎后，依次用盐酸、王水混合酸（HF＋H2SO4）处理，最后用蒸馏水洗至中性，烘干后可得含量为99.9%的工业粗硅。高纯多晶硅的制备方法很多，据不完全统计有十几种，但所有的方法都是从工业硅（或称硅铁，因为含铁较多）开始，首先制取既易提纯又易分解（即还原）的含硅的中间化合物，如SiCl4、SiHCl3、SiH4等，再使这些中间化合物提纯、分解或还原成高纯度的多晶硅。目前我国制备高纯硅多晶硅主要采用三氯氢硅氢还原法、硅烷热解法和四氯化硅氢还原法。一般说来，由于三氯氢硅还原法具有一定优点，目前应用比较广泛。此外，由于SiH4具有易提纯的特点，因此硅烷热分解法是制备高纯硅的很有发展潜力的方法。

2.SGS的化学原理

下面我们就介绍制备高纯硅的化学原理。（以三氯氢硅还原法为例）

1）天然硅

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第1步：由硅石制取粗硅。其为硅石（SiO2）和适量的焦炭混合，并在电炉内加热至1 600～1 800 °C，可制得纯度为95%～99%的粗硅。现在得到的是冶金级硅，主要杂质有Fe、Al、C、B、P、Cu，需要进一步提纯。生成的硅由电炉底部放出，浇铸成锭。用此法生产的粗硅经酸处理后，其纯度可达到99.9%。

2）硅材料提纯

第2步：三氯氢硅（三氯硅烷）的合成。三氯氢硅是由干燥的氯化氢气体和粗硅粉在合成炉中（250 °C）进行合成的。三氯氢硅要提纯，由合成炉中得到的三氯氢硅往往混有硼、磷、砷、铝等杂质，并且它们是有害杂质，对单晶硅质量影响极大，必须设法除去。

近年来三氯氢硅的提纯方法发展很快，但由于精馏法工艺简单、操作方便，所以目前工业上主要用精馏法。三氯氢硅精馏是利用三氯氢硅与杂质氯化物的沸点不同而分离提纯的。

一般合成的三氯氢硅中常含有三氯化硼（BCl3）、三氯化磷（PCl3）、四氯化硅（SiCl4）、三氯化砷（AsCl3）、三氯化铝（Al2Cl3）等氯化物。其中绝大多数氯化物的沸点与三氯氢硅相差较大，因此通过精馏的方法就可以将这些杂质除去。但三氯化硼和三氯化磷的沸点与三氯氢硅相近，较难分离，故需采用高效精馏，以除去这两种杂质。精馏提纯的除硼效果有一定限度，所以工业上也采用除硼效果较好的络合物法。三氯氢硅沸点低，易燃易爆，全部操作要在低温下进行，一般操作环境温度不得超过25 °C，并且整个过程严禁接触火星，以免发生爆炸性的燃烧。液态SiHCl3要提纯到纯度达99.999 999 9%。

3）电子级硅

第3步：三氯氢硅的氢还原。提纯三氯氢硅和高纯氢混合后，通入1 150 °C还原炉内进行反应，即可得到硅，生成的高纯多晶硅淀积在多晶硅载体上。提纯从化学反应开始，对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氟化硅或三氯硅烷，硅化物再和氢反应生成半导体级的硅，这样的硅纯度达99.999 999 9%。SGS是地球上最纯的物质之一，它有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。目前，西门子工艺法是较好的多晶硅生产的工艺，其原理就是在1100 °C左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。反应得到的多晶Si还不能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体。