一沙一世界，半導體的命脈「矽」是從哪來的？

矽（Silicon）是半導體產業的根本，台灣掌握全球半導體產業命脈，那我們就更該問一個問題：矽是從哪裡來的？

「一沙一世界」，用在半導體產業再適合不過，因為讓台灣稱霸世界的矽，就是從最不起眼的沙子提煉。矽元素在自然界中以二氧化矽（SiO₂）形態存在，地球上含量極高，在沙灘上就能看見。雖然普通的沙子也能用來提煉矽，不過現代半導體產業為了追求更高純度，主要使用的含矽純度極高的「石英砂」又稱為「矽砂」，這種材料主要來自風化後的花崗岩與石英脈礦，顧名思義它的矽含量高達 95%，不僅雜質少，物理結構也更適合熔煉與晶體成長。

一、從沙子到高純度多晶矽：像黑糖變白砂糖的「煉晶術」

天然石英砂雖在特定地區可大量取得，但要成為像台灣一樣龐大的半導體產業，卻極為少見，因為這後面的工序一點也不簡單，光是從石英砂到矽，就要經過三道工序。

二氧化矽中的矽與氧原子結合得非常緊密，無法直接使用，必須先經過高溫還原。這個過程通常會在大型電弧爐中進行，將二氧化矽、碳（如煤炭和木屑）在高達1800°C 的高溫作用下，產生還原反應：

SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑

得到的產物稱為冶金級矽（MG-Si），純度約 98-99%，已可以用於工業建築的材料，像是鍊鋼、鋁矽合金，全球每年生產數百萬噸冶金級矽，其中只有不到 1%，會進入到下一個階段。

為了進到純度 99% 以上的世界，這批 MG-Si 會先和氯化氫反應轉化成三氯矽烷（SiHCl₃），這種液態矽進入西門子法（Siemens Process）的工序，在一個鐘形裝置中加熱到 1,100°C，接著透過蒸餾分離雜質，使三氯矽烷氣化還原，沉積在反應爐內上形成高純度的多晶矽（Polysilicon），其純度可高達11N，也就是為99.999999999%，總共 11 個 9 。

▲ 西門子法：Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂ （Source：Rfassbind, Public domain, via Wikimedia Commons）

這就像是把黑糖一步步精煉成白砂糖的過程，這項提純技術至關重要，因為純度會直接影響到後續晶片製程的「良率」與穩定性。只是此時多晶矽外觀仍略顯粗糙，尚未達到可用於製造晶片的平整度，因此還需要進入下一個關鍵步驟。

 二、「煉晶」後拉出單晶矽棒：像做棉花糖一樣「旋轉拉絲」

高純度的多晶矽不僅外觀不規則，內部結構也沒有排序，因此下一步就是將其轉換成單晶矽（Monocrystalline Silicon），也就是結構排列整齊、無晶界的矽材料。

這個過程被稱為柴可拉斯基法（Czochralski Process），也稱直拉法或提拉法。具體做法是將多晶矽放入坩鍋中高溫熔化，再把一根由單晶矽製成的「晶種棒」緩慢地垂直插入熔融矽液中，同時控制旋轉與向上拉升的速度。這樣一來，矽原子會依循晶種的排列方式開始結晶，逐漸形成一根「單晶矽棒」。

▲ 柴可拉斯基法。（source：Twisp, Public domain, via Wikimedia Commons）

這個過程有點像製作棉花糖：糖漿在轉盤中被拉絲、堆疊成形。這根由矽拉出的「單晶矽棒」，隨後會被切割成一片片薄如紙的圓片，這就是我們熟悉的矽晶圓（wafer），化身為智慧手機、電腦與各類運算元件的核心基礎。

目前矽晶圓製造技術主要掌握在日本企業手上，包括信越化學（Shin-Etsu Chemical）、勝高（Sumco）和台灣的環球晶（GlobalWafers），信越化學更控制了全球超過三成的市場，是台積電等代工廠的主要原料供應商。

從一顆不起眼沙子開始，經過高溫提煉、層層純化、精密拉晶與切割，最終成為全球最先進處理器的基底。每一片矽晶圓，都蘊藏著數十億個電晶體，支撐起手機、電腦、自駕車、與AI伺服器的龐大運算需求，也讓台灣一路走來成為全球最重要的「矽島」，掌握世界科技產業命脈。一沙一世界，一花一天堂，如今台灣半導體產業，還真成了繁花盛開的一片風光。

（首圖來源：信越化學）