這種晶元材料純度高達99.999999999％
導語：電子級多晶硅是純度最高的多晶硅材料，其純度要求達到99.999999999%。更高的純度意味著更加複雜的生產和提煉過程，「11個9」的純度，相當於5000噸的電子級多晶硅中總的雜質含量僅有不到一枚1元硬幣的重量。
出品| 網易新聞
作者|雪鴞編輯| 史文慧
中國是世界最大的電子產品生產國和消費國，近年來，在集成電路和通訊技術上，中國已經取得了一定的技術積累，得到了社會各界廣泛的關注，但是，在晶元產業最基礎的原材料——電子級多晶硅上的技術積累不足，中國幾乎完全依賴進口，大規模工業化提純技術也掌握在外國手裡，原料採購不僅溢價高，而且受制於人。
（一）為什麼半導體行業用高純度硅做基礎材料？
硅是一種隨處可見的元素，在地殼中的含量高達26.3%（僅次於氧），但高純度的單質硅卻是一種戰略級別的先進基礎材料，擁有著眾多獨特的性質，符合光伏產業和半導體產業對元器件的獨特要求。
以硅為基礎材料製作的太陽能電池板能夠根據光電效應單向輸送電流
在正常的環境下，純硅的電阻率為214×1000歐姆/厘米。在硅晶體中，每個原子具備四個電子，不多不少，所有外層電子都形成了完美的共價鍵，不能到處運動，導致了電阻率奇高，幾乎就是絕緣體——只能通過極小的電流。
表面上看，似乎硅並不是很好的材料，但高純度的單質硅卻受到以下幾種條件的影響，使得它的性能具備很大的可塑性。
熱敏性。
硅的電阻率與溫度有密切的關係，隨著溫度升高，電阻率會明顯變小，在1480攝氏度左右時達到最小。換句話說，在正常使用的狀態下，溫度越高，導電性就越強，這就給了光伏和半導體器件更多使用上的便利。
光電特性。
硅材料對光十分敏感，無光照時，電阻率較大；受到光照時，電阻率會大幅下降，這種半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為「光導電」。
利用「光導電」特性以及光電效應製作的光電器件就是常見的光伏電池，作為一種新能源，它可以把光能直接轉換成電能，是一種方便的清潔能源。
摻雜特性。
純凈的半導體材料電阻率很高，但摻入極少量雜質元素後，其導電能力會發生明顯的提高。
因此，人們對於硅材料的純度有著極高的要求，晶元性能越高，對硅原材料的純度要求就越高，為了避免雜質對半導體材料的污染，出現導電率的重大偏差，硅料的生產必須在無塵環境下。在此基礎上可以給半導體摻入微量的某種特定雜質元素，精確控制它的導電能力，用以製作各種各樣的半導體器件。
一般使用的單質硅材料分為多晶硅和單晶硅兩種，它們都可以用來製作光伏電池。多晶硅與單晶硅的差異主要表現在物理性質上：多晶硅晶體的導電性遠不如單晶硅顯著，甚至於幾乎沒有導電性。高純度的多晶硅在單晶爐中經過簡單的熔煉後，就可以形成單晶硅（整塊材料由一個晶粒生長而成），切片後供集成電路製造所用。
單晶硅表面呈現規則的金字塔狀絨面（左），多晶硅表面呈現孔狀絨面（右）
（二）中國光伏級多晶硅產能充足，電子級多晶硅缺口巨大
與簡單的電路不同，半導體集成電路有信號輸入和輸出的需求，原材料需要滿足絕對的單嚮導電性。
前面提到過，高純度的硅單質幾乎是絕緣體，但是通過對高純度硅內部混入雜質，可以形成兩種不同類型的半導體：N（negative，負）型和P（positive，正）型。
N型硅是指在硅中摻雜微量的磷或砷，磷和砷的外層有五個電子，而硅只有四個電子，所以它們的第五個電子沒有結合鍵，可以自由移動，因此N型硅本身是一種良好的導體。
P型硅則與N型硅相對應，微量摻雜使用硼或鎵，它們只有三個外層電子，由於缺少一個電子，硅無法形成化學鍵，所留出的孔可以導電，因此在晶體結構中產生了「空穴」，很容易吸引電子結合。P型硅也是一種良好的導體。
將N型硅和P型硅結合起來後，它們的結合部就會產生奇特的性質。
如果P型硅和N型硅像下圖一樣結合起來，它們就可以很好地傳播電流，N型硅中的自由電子受到電池負極驅動，P型硅的孔則方便接受這些自由電子，孔和電子在PN結合部相遇，電子會迅速填充到這些孔中，形成平衡，在結合部產生電流。
PN結的形成
但如果把P型硅和N型硅的位置轉換過來，N型硅中的電子會被吸引到正極，而P型硅中的正電子會被吸引到負極，結合部中幾乎不產生電流，整個電路就無法有效傳導任何電流。
也就是說，PN型硅的結合體在一個方向允許電子的傳輸，而在另一個方向上阻止電流通過，類似於地鐵站中的驗票機——我們稱之為單嚮導電性。
基於這種邏輯，人類發明了二極體，構建了現代集成電路的宏偉技術大廈。
為了儘可能精確地控制半導體分立器件的物理性質，基礎硅原料單單具備光伏級的純度是不夠的。
中國在前幾年曾經大力扶持發展太陽能光伏產業，使得光伏級多晶硅的產量迅速攀升，目前的產能已經有些過剩。而電子級多晶硅的生產技術標準與光伏級多晶硅差別極大，對精細化工水平有著極高的要求。
相比光伏級多晶硅99.9999%的純度，電子級多晶硅的純度要求達到99.999999999%。更高的純度意味著更加複雜的生產和提煉過程，「11個9」的純度，相當於5000噸的電子級多晶硅中總的雜質含量僅有不到一枚1元硬幣的重量。
這使得光伏級多晶硅的生產工藝基本無法起到借鑒作用，難以通過技術升級直接轉化為電子級生產線，也就是說需要另起鍋爐才能造出滿足需求的產品。
電子級多晶硅對精細化工技術有著極高的要求
（三）電子級多晶硅的量產，讓中國晶元產業無後顧之憂
根據業內人士的統計，目前國內電子級多晶硅的年度需求大約是4500噸，總量遠遠不及光伏級多晶硅，但利潤空間極大。
從近年的發展狀況來看，多晶硅產業鏈在中國得到長足發展，在全球市場上已然佔據不小的比例，但技術上仍然不夠先進，電子級多晶硅仍然依賴進口。
如果這一狀況無法得到改變，這種關鍵基礎材料的缺失會讓中國電子製造領域的追趕化為空談。
近年中國多晶硅產量不斷攀升，但多是光伏級多晶硅
電子級多晶硅是純度最高的多晶硅材料，中國電子級多晶硅的投產，不僅打破了國外技術的壟斷，填補國內電子級原材料生產的空白，也意味著中國很快將成為美國德國之後全球第三大電子級硅材料生產國。
電子級硅原料可用於製作晶圓
經過一系列嚴格的驗證、檢測，近日，中國一批電子級多晶硅成功出口韓國，這是中國首次向國際市場出口電子級多晶硅材料，標誌著中國半導體集成電路用硅料已經達到國際一流質量標準。
目前中國投產的第一條生產線的產能為5000噸，可保證國內企業近年內電子級原材料供應充足，產品質量能夠滿足40nm及以下極大規模集成電路用12英寸單晶製造需求，並少量出口。
同時，中國還規劃在未來增設兩條5000噸生產線，以更好地滿足國際國內市場，並由此一躍成為世界第一的電子級硅原料生產國，徹底擺脫受制於人的局面。
結語
任何產業的蓬勃發展都離不開基礎原材料的保障，電子製造產業同樣不能例外。
集成電路被譽為電子信息產業「皇冠上的明珠」，是一個國家電子信息產業的基石，更是判斷一個國家工業水平的一種標準。隨著核心技術的突破，中國高性能多晶硅產業必定能夠迎來自身的契機，帶動整條電子製造產業鏈的成長。
集成電路這場宴會，中國人不能缺席。
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