晶圓是如何制造出來的？

芯片，是人類科技的精華，也被稱為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠。

芯片的基本組成是晶體管。晶體管的基本工作原理其實并不復雜，但在指甲蓋那么小的面積里，塞入數(shù)以百億級的晶體管，就讓這件事情不再簡單，甚至算得上是人類有史以來最復雜的工程，沒有之一。

接下來這段時間，小棗君會通過一系列文章，專門介紹芯片的制造流程。

今天這篇，先講講晶圓制造。

█?主要階段和分工

介紹晶圓之前，小棗君先介紹一下芯片制造的一些背景知識。

芯片的制造，需要經(jīng)過數(shù)百道工序。我們可以先將其歸納為四個主要階段——芯片設計、晶圓制備、芯片制造（前道）、封裝測試（后道）。

我們經(jīng)常會聽說Fabless、Foundry、IDM等名詞。這些名詞，和芯片行業(yè)的分工有密切關系。

通常來說，行業(yè)里有些企業(yè)，只專注于芯片的設計。芯片的制造、封裝和測試，都不做。這些企業(yè)，就屬于Fabless企業(yè)，例如高通、英偉達、聯(lián)發(fā)科、（以前的）華為等。

也有些企業(yè)，專門負責生產(chǎn)芯片，沒有自己品牌的芯片。這些企業(yè)，就屬于Foundry，晶圓代工廠。

最著名的Foundry，當然是我國臺灣省的臺積電。中芯國際（SMIC）、聯(lián)華電子（UMC）、華虹集團等，也屬于Foundry。

芯片制造的難度比芯片設計還高。我們國內很多企業(yè)都具備先進制程芯片的設計能力，但找不到Foundry把芯片造出來。所以，通常說的“卡脖子”，就是指的芯片制造這個環(huán)節(jié)。

Foundry生產(chǎn)出來的芯片，一般叫裸片。裸片是沒法直接用的，需要經(jīng)過封裝、測試等環(huán)節(jié)。專門做封裝和測試的廠家，就是OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導體封裝與測試）。

當然，有的晶圓廠自己也有自己的封測廠，但通常不如OSAT靈活好用。業(yè)界比較知名的OSAT玩家有：日月光（ASE）、長電科技、聯(lián)合科技（UTAC）、Amkor等。

最后就是IDM。

IDM是Integrated Device Manufacturer（整合元件制造商）的簡稱。有些公司，既做芯片設計，又做晶圓生產(chǎn)，還做封測，端到端全部都做。這種企業(yè)，就叫做IDM。

全球具備這種能力的企業(yè)，不是太多，包括英特爾、三星、德州儀器、意法半導體等。

IDM看上去很厲害，什么都能干。但實際上，芯片這個產(chǎn)業(yè)過于龐大，精細化分工是大勢所趨。Fabless+Foundry模式，術業(yè)有專攻，在專業(yè)性、效率和收益方面，都更有優(yōu)勢。

AMD曾經(jīng)也是IDM，但后來改弦更張，也走輕資產(chǎn)的Fabless模式了。它的晶圓廠被剝離出去后，搖身一變，成了全球前五的晶圓代工廠：格羅方德（GlobalFoundries）。

█?晶圓制備

好了，接下來，我們來看具體的制造過程。

首先，還是從最基本的晶圓制備說起。

我們經(jīng)常說，芯片是沙子造的。其實，主要是因為沙子里面，含有大量的硅（Si）元素。

硅是地殼內第二豐富的元素，僅次于氧

沙子里有硅，但是純度很低，而且是二氧化硅（SiO2）。我們不能隨便抓一把沙子就拿來提煉硅。通常，會選用含硅量比較高的石英砂礦石。

第一步，脫氧、提純。

將石英砂原料放入熔爐中，加熱到1400℃以上的高溫（硅的熔點為1410℃），與碳源發(fā)生化學反應，就可以生成高純度（98%以上）的冶金級工業(yè)硅（MG-Si）。

隨后，通過氯化反應和蒸餾工藝，進一步提純，得到純度更高的硅。

硅這個材料，不僅可以用于半導體芯片制造，也可以用于光伏行業(yè)（太陽能發(fā)電）。

在光伏行業(yè)，對硅的純度要求是99.9999%到99.999999%，也就是4~6個9，叫（SG-Si）。

在半導體芯片行業(yè)，對硅的純度要求更加變態(tài)，是99.9999999%到99.999999999%，也就是9~11個9。這種用于半導體制造的硅，學名電子級硅（EG-Si），平均每一百萬個硅原子中最多只允許有一個雜質原子。

第二步，拉單晶硅（鑄錠）

這種經(jīng)過提純之后的硅，是多晶硅。接下來，還需要把它變成單晶硅。

之前介紹半導體發(fā)展簡史的時候，小棗君給大家解釋過單晶硅和多晶硅。

簡單來說，單晶硅具有完美的晶體結構，有非常好的性能。多晶硅，晶粒大、不規(guī)則、缺陷多，各種性能都相對差。所以，芯片這種高端貨，基本都使用單晶硅。光伏那邊，可以用多晶硅。

將多晶硅變成單晶硅，目前主流的制法，是柴克拉夫斯基法（也就是直拉法）。

首先，加熱熔化高純度多晶硅，形成液態(tài)的硅。

然后，將一條細小的單晶硅作為引子（也叫做硅種、籽晶），伸入硅溶液。

接著，緩慢地向上旋轉提拉。被拉出的硅溶液，因為溫度梯度下降，會凝固成固態(tài)硅柱。

在硅種的帶領下，離開液面的硅原子凝固后都是“排著隊”的，也就變成了排列整齊的單晶硅柱。

（注意，拉的速度不太一樣。最開始，是以6mm/分鐘的速度，拉出10cm左右的固態(tài)硅柱。這主要是因為，晶體剛剛形成時，會因為熱沖擊，晶相不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生晶體缺陷。拉出10cm長度之后，就可以減速了，變成緩慢提拉。）

旋轉拉起的速度以及溫度的控制，對晶柱品質有很大的影響。硅柱尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高。

最后，會拉出一根直徑通常為30厘米，長度約1-1.5米的圓柱形硅柱。這個硅柱，就是晶棒，也叫做硅錠（呵呵，和“龜腚”、“規(guī)定”同音）。

第三步，晶圓切割。

拉出來的硅錠，要截去頭和尾，然后切成一片片特定厚度的薄片（硅片）。

目前主流的切片方式，是采用帶有金剛線的多線切割機，也就是用線上固定有金剛石顆粒的鋼絲線，對硅段進行多段切割。這種方法的效率高、損耗少。

切片有時候也會采用內圓鋸。內圓鋸則是內圓鍍有金剛石的薄片，通過旋轉內圓薄片切割晶錠。內圓鋸的切割精度和速度相對較高，適用于高質量晶圓的切割。

硅片非常脆弱，所以切割過程也需要十分小心，要嚴格控制溫度和振動。切割時，需要使用水基或油基的切割液，用來冷卻和潤滑，以及帶走切割產(chǎn)生的碎屑。

第四步，倒角、研磨、拋光。

切割得到的硅片，被稱為“裸片”，即未經(jīng)加工的“原料晶圓”。

裸片的表面會非常粗糙，而且會有殘留切割液和碎屑。因此，需要倒角、研磨、拋光、清洗等工藝，完成切割后的處理，最終得到光滑如鏡的“成品晶圓（Wafer）”。

倒角，就是通過倒角機，把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形。這是因為高純度硅是一種脆性很高的材料，這樣處理可以降低邊緣處發(fā)生崩裂的風險。

研磨，就是粗研磨，使晶圓片表面平整、平行，減少機械缺陷。

研磨后，晶圓會被置于氮化酸與乙酸的混合溶液中進行蝕刻，以去除表面可能存在的微觀裂紋或損傷。完成蝕刻后，晶圓會再經(jīng)過一系列高純度的RO/DI水浴處理，以確保其表面的潔凈度。

晶圓在一系列化學和機械拋光過程中拋光，稱為CMP（Chemical Mechanical Polish，化學機械拋光）。

其中，化學反應階段，拋光液中富含的化學成分，與待處理的晶圓材料發(fā)生化學反應，生成易于清除的化合物，或使材料表面軟化。

機械研磨階段，借助拋光墊和拋光液中的磨粒，對晶圓材料進行機械性的磨削，從而去除在化學反應階段生成的化合物，以及材料表面的其他雜質。

在CMP工藝中，首先需要將待拋光的晶圓固定在拋光機的晶圓夾具上。接著，拋光液被均勻地分配在晶圓和拋光墊之間。然后，拋光機通過施加適當?shù)膲毫托D速度，對晶圓進行拋光。

CMP是芯片制造過程中的一個常見工序（后面還會再用到）。它的核心目標是實現(xiàn)全局平坦化（Global Planarization），即在納米級精度下消除晶圓表面的高低差異（如金屬層、介質層的不均勻性），為后續(xù)光刻等工藝做好準備。

第五步，清洗。

拋光完成之后，晶圓需要經(jīng)過徹底清洗，去除殘留的拋光液和磨粒。

清洗通常包括酸、堿、超純水沖洗等多個步驟，每一步同樣也要求在潔凈室環(huán)境下進行，以避免任何新的雜質附著在晶圓表面上。

第六步，檢測和分類。

拋光之后得到的晶圓，也叫拋光片。

最后，使用光學顯微鏡或其他檢測設備對拋光效果進行嚴格檢查，確保晶圓的表面平坦度、材料去除量、厚度、表面缺陷等指標全都符合預期要求。

檢測合格的晶圓，將進入下一工序。檢測不合格的，進行返工或者廢棄處理。

需要注意！在實際生產(chǎn)中，晶圓邊緣會切割出平角（Flat）或缺口（Notch），以便于后續(xù)工序中的定位和晶向確定。另外，在晶圓的反面邊緣，也會打上序號標簽，方便物料跟蹤。

█?關于晶圓的常見問題

好啦，晶圓已經(jīng)制備完成了。接下來，我們回答幾個關于晶圓的常見問題。

問題1：晶圓的尺寸有多大？

經(jīng)過處理得到的成品晶圓，有多種尺寸規(guī)格，例如：2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm）等。

其中，8英寸和12英寸，最為常見。

晶圓的厚度，必須嚴格遵循SEMI規(guī)格等標準。例如，12英寸晶圓的厚度，通常控制在775μm±20μm（微米）范圍內，也就是0.775毫米左右。

晶圓尺寸越大，每片晶圓可制造芯片數(shù)量就越多，單位芯片成本就越低。

以8英寸與12英寸硅片為例。在同樣工藝條件下，12英寸晶圓可使用面積超過 8英寸晶圓兩倍以上，可使用率（衡量單位晶圓可生產(chǎn)芯片數(shù)量的指標）是8英寸硅片的2.5倍左右。

但是，尺寸越大，就越難造，對生產(chǎn)技術、設備、材料、工藝要求就越多。

12英寸，可以在收益和難度之間維持一個比較好的平衡。

問題2：晶圓為什么是圓的？

首先，前面說了，拉單晶拉出來的，就是圓柱體，所以，切割后，就是圓盤。

其次，圓柱形的單晶硅錠，更便于運輸，可以盡量避免因磕碰導致的材料損耗。

第三，圓形晶圓在制造過程中，更容易實現(xiàn)均勻加熱和冷卻，減少熱應力，提高晶體質量。

第四，晶圓做成圓的，對于芯片的后續(xù)工藝，也有一定幫助。

第五，是面積利用率上有優(yōu)勢。后面我們會介紹，晶圓上面會制作很多芯片。芯片確實是方的。從道理上來說，好像晶圓是方的，更適合方形的芯片（邊緣不會有浪費）。

但事實上，即便是做成了“晶方”，一些邊緣仍然是不可利用的。計算數(shù)據(jù)表明，圓形邊緣比方形浪費更少。

問題3：晶圓一定是硅材料嗎？

不一定。

不只有硅能做成晶圓。目前，半導體材料已經(jīng)發(fā)展到第四代。

第一代半導體材料以 Si（硅）、Ge（鍺）為代表。第二代半導體材料以 GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）為代表。第三代半導體材料以 GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）為代表。第四代半導體材料以氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）為代表。

不過，目前仍有90%以上芯片需使用半導體硅片作為襯底片。因為它擁有優(yōu)異的半導體性能、豐富的儲量及成熟的制造工藝。

關于晶圓制備，今天就介紹到這里。

下一期，小棗君繼續(xù)給大家講芯片的制造流程，看看到底是如何在晶圓上做出芯片的。敬請關注！