芯片(pian)，是人類科(ke)技(ji)的(de)精華，也被稱為現(xian)代工業(ye)皇冠上(shang)的(de)明珠(zhu)。

芯片的(de)(de)(de)基本組成是晶體管。晶體管的(de)(de)(de)基本工(gong)作(zuo)原理其實并不復(fu)雜，但(dan)在(zai)指甲蓋那么小的(de)(de)(de)面積(ji)里，塞入數以百億級的(de)(de)(de)晶體管，就(jiu)讓這件事情不再(zai)簡(jian)單，甚至算得上是人(ren)類有史以來最復(fu)雜的(de)(de)(de)工(gong)程，沒(mei)有之一。

接下來這(zhe)段時間，小棗君會通(tong)過一系列文章，專門介紹芯片的制造(zao)流(liu)程。

今天這篇，先講講晶圓制造。

█ 主要階段和分工

介紹晶(jing)圓之前，小棗君先介紹一下芯片(pian)制(zhi)造的一些(xie)背(bei)景知識。

芯片(pian)(pian)的(de)制(zhi)(zhi)造(zao)，需要經(jing)過數百道(dao)工序。我們可以(yi)先將其(qi)歸納為(wei)四個主(zhu)要階(jie)段 —— 芯片(pian)(pian)設(she)計、晶圓制(zhi)(zhi)備(bei)、芯片(pian)(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)（前道(dao)）、封裝(zhuang)測試（后(hou)道(dao)）。

我們(men)經常會聽說(shuo) Fabless、Foundry、IDM 等名詞。這些名詞，和(he)芯片(pian)行業的分(fen)工有密(mi)切關(guan)系。

通常來說，行(xing)業里有些(xie)企(qi)(qi)業，只(zhi)專注于芯(xin)(xin)片的(de)設計。芯(xin)(xin)片的(de)制造(zao)、封裝和測試，都不做。這(zhe)些(xie)企(qi)(qi)業，就屬于 Fabless 企(qi)(qi)業，例如高通、英偉達、聯發科、（以前的(de)）華為等。

也有些(xie)企業，專門負責生產芯片，沒有自己品牌的芯片。這些(xie)企業，就(jiu)屬于 Foundry，晶(jing)圓代工廠。

最著(zhu)名的 Foundry，當(dang)然(ran)是我國(guo)臺灣(wan)省的臺積電。中芯國(guo)際（SMIC）、聯華(hua)電子（UMC）、華(hua)虹集團等，也屬于 Foundry。

芯(xin)片制(zhi)造(zao)的難度比芯(xin)片設計還高。我們國內很多企業都(dou)具備(bei)先進制(zhi)程芯(xin)片的設計能力，但找不到 Foundry 把芯(xin)片造(zao)出來。所以(yi)，通常說的“卡(ka)脖(bo)子”，就是指的芯(xin)片制(zhi)造(zao)這個環節。

Foundry 生(sheng)產出來的(de)芯片(pian)，一般叫裸(luo)片(pian)。裸(luo)片(pian)是沒法直接用的(de)，需要經過封裝(zhuang)(zhuang)、測(ce)試(shi)(shi)等(deng)環(huan)節。專門做封裝(zhuang)(zhuang)和測(ce)試(shi)(shi)的(de)廠(chang)家，就是 OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導體封裝(zhuang)(zhuang)與(yu)測(ce)試(shi)(shi)）。

當然，有(you)的晶圓廠自(zi)己(ji)也有(you)自(zi)己(ji)的封(feng)測廠，但通常不如 OSAT 靈活好用。業界(jie)比較知名的 OSAT 玩家有(you)：日月光（ASE）、長電(dian)科(ke)技、聯合科(ke)技（UTAC）、Amkor 等。

最后就是 IDM。

IDM 是 Integrated Device Manufacturer（整合(he)元件制造商(shang)）的簡稱(cheng)。有些公司，既做(zuo)(zuo)芯(xin)片設計，又做(zuo)(zuo)晶圓(yuan)生產，還做(zuo)(zuo)封(feng)測，端(duan)到端(duan)全部都(dou)做(zuo)(zuo)。這(zhe)種企業，就叫做(zuo)(zuo) IDM。

全球(qiu)具備這種能力的企業，不是太多，包括(kuo)英特爾(er)、三星、德州儀(yi)器、意法半導體等。

IDM 看上(shang)去很(hen)厲(li)害，什么都(dou)能干。但實(shi)際上(shang)，芯片這(zhe)個產業過于龐大(da)，精細化分(fen)工是大(da)勢(shi)(shi)所(suo)趨。Fabless+Foundry 模式(shi)，術(shu)業有專攻，在專業性、效率(lv)和收益方面，都(dou)更有優勢(shi)(shi)。

AMD 曾(ceng)經也(ye)是 IDM，但后來改弦更張，也(ye)走(zou)輕資產的(de) Fabless 模式了。它(ta)的(de)晶圓廠被剝離出去后，搖身一變，成了全球前五的(de)晶圓代(dai)工廠：格羅方德（GlobalFoundries）。

█ 晶圓制備

好了，接下來(lai)，我們來(lai)看具體的制造過程。

首先，還是從最基本的晶圓(yuan)制備說起。

我們(men)經常說(shuo)，芯片是沙(sha)子造的。其(qi)實，主要是因為沙(sha)子里面(mian)，含有(you)大(da)量的硅（Si）元素(su)。

沙(sha)子里有硅(gui)(gui)，但是純度很(hen)低，而且是二氧化硅(gui)(gui)（SiO2）。我們(men)不能隨便抓一把沙(sha)子就拿來提煉硅(gui)(gui)。通常，會選用(yong)含硅(gui)(gui)量比較(jiao)高(gao)的石(shi)英砂礦石(shi)。

第一步，脫氧、提純。

將石英砂(sha)原(yuan)料放入熔(rong)爐中，加(jia)熱到 1400℃以上(shang)的高(gao)溫（硅的熔(rong)點為 1410℃），與碳源發生化學(xue)反(fan)應，就可以生成(cheng)高(gao)純(chun)度(du)（98% 以上(shang)）的冶金級工業(ye)硅（MG-Si）。

隨后，通過(guo)氯化反應和(he)蒸餾(liu)工藝，進一(yi)步(bu)提純，得到純度更高的硅。

硅這個(ge)材(cai)料(liao)，不僅(jin)可以用于(yu)半(ban)導體芯片制造，也(ye)可以用于(yu)光伏行(xing)業（太(tai)陽能發(fa)電）。

在光伏行(xing)業，對(dui)硅(gui)的純度要求是(shi) 99.9999% 到 99.999999%，也就是(shi) 4~6 個 9，叫（SG-Si）。

在半導體(ti)(ti)芯片行業，對硅(gui)的純度要求更(geng)加變態，是 99.9999999% 到 99.999999999%，也就(jiu)是 9~11 個 9。這種用于半導體(ti)(ti)制(zhi)造的硅(gui)，學名電子(zi)級硅(gui)（EG-Si），平均(jun)每(mei)一百(bai)萬個硅(gui)原(yuan)子(zi)中最多只允許(xu)有(you)一個雜質(zhi)原(yuan)子(zi)。

第二步，拉單晶硅（鑄錠）

這種經(jing)過提純(chun)之(zhi)后(hou)的硅(gui)(gui)，是多晶(jing)硅(gui)(gui)。接下來(lai)，還需(xu)要把它變成單晶(jing)硅(gui)(gui)。

之前(qian)介紹半導體發展簡史的時候，小(xiao)棗君(jun)給大家解釋過單晶(jing)硅和多晶(jing)硅。

簡單來(lai)說(shuo)，單晶(jing)硅具(ju)有完美(mei)的晶(jing)體結構，有非(fei)常好(hao)的性能(neng)。多晶(jing)硅，晶(jing)粒大、不規則、缺(que)陷(xian)多，各種性能(neng)都相對差。所以，芯片這種高端貨，基本都使用單晶(jing)硅。光伏那邊，可以用多晶(jing)硅。

將多晶(jing)硅(gui)變(bian)成單晶(jing)硅(gui)，目前主流的(de)制(zhi)法，是柴克拉(la)夫(fu)斯基法（也就是直拉(la)法）。

首先，加(jia)熱熔化高純度多(duo)晶硅，形成液(ye)態的硅。

然后(hou)，將一條細小的單(dan)晶硅作為引子（也叫做(zuo)硅種(zhong)、籽晶），伸入硅溶液(ye)。

接著，緩慢(man)地向上旋轉提拉。被拉出的硅(gui)溶(rong)液(ye)，因為(wei)溫度梯度下降，會凝固成固態(tai)硅(gui)柱。

在硅(gui)(gui)種的(de)帶領下(xia)，離開液(ye)面的(de)硅(gui)(gui)原子凝固后都是“排(pai)著(zhu)隊”的(de)，也就變成了排(pai)列整齊的(de)單晶硅(gui)(gui)柱。

（注意(yi)，拉的(de)速度不太一(yi)樣。最開(kai)始，是以(yi) 6mm / 分鐘的(de)速度，拉出 10cm 左(zuo)右的(de)固態硅柱。這主(zhu)要是因為，晶體剛剛形成時，會因為熱(re)沖擊，晶相不穩定，容(rong)易產生晶體缺(que)陷。拉出 10cm 長度之后，就可以(yi)減速了，變成緩(huan)慢提拉。）

旋轉拉(la)起(qi)的速(su)度(du)(du)以及溫度(du)(du)的控制，對(dui)(dui)晶柱品(pin)質有很大的影響。硅柱尺寸愈大時，拉(la)晶對(dui)(dui)速(su)度(du)(du)與溫度(du)(du)的要求就更高。

最后，會拉出一根直(zhi)徑(jing)通常為(wei) 30 厘米(mi)，長(chang)度約 1-1.5 米(mi)的圓(yuan)柱(zhu)形硅柱(zhu)。這個硅柱(zhu)，就是晶棒(bang)，也(ye)叫做硅錠（呵(he)(he)呵(he)(he)，和“龜腚”、“規定”同音(yin)）。

第三步，晶圓切割。

拉出(chu)來的硅錠，要截去頭和尾，然后切成(cheng)一片片特定厚度的薄(bo)片（硅片）。

目前主流(liu)的切片方(fang)式，是采用帶有金剛(gang)線(xian)(xian)的多(duo)(duo)線(xian)(xian)切割機(ji)，也就是用線(xian)(xian)上(shang)固(gu)定有金剛(gang)石(shi)顆(ke)粒的鋼絲線(xian)(xian)，對硅段進行多(duo)(duo)段切割。這種方(fang)法的效(xiao)率高、損(sun)耗少。

切片(pian)(pian)有時候也會采(cai)用內(nei)(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)鋸。內(nei)(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)鋸則是內(nei)(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)鍍有金剛(gang)石的薄(bo)(bo)片(pian)(pian)，通過旋(xuan)轉內(nei)(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)薄(bo)(bo)片(pian)(pian)切割晶錠。內(nei)(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)鋸的切割精度(du)和速度(du)相對較高，適用于高質量晶圓(yuan)(yuan)的切割。

硅片非常脆弱，所(suo)以(yi)切(qie)割過程(cheng)也需要(yao)十分(fen)小心，要(yao)嚴格控制溫度和振動。切(qie)割時，需要(yao)使用(yong)水基或油基的切(qie)割液，用(yong)來(lai)冷卻和潤(run)滑，以(yi)及帶走切(qie)割產生的碎屑。

第四步，倒角、研磨、拋光。

切割得到的(de)(de)硅片(pian)，被(bei)稱(cheng)為“裸片(pian)”，即(ji)未(wei)經(jing)加工(gong)的(de)(de)“原(yuan)料晶圓(yuan)”。

裸片的表面會非常(chang)粗糙(cao)，而且會有(you)殘留(liu)切(qie)割液(ye)和碎(sui)屑。因此，需要(yao)倒角、研磨、拋光、清洗等工藝，完(wan)成切(qie)割后(hou)的處理，最終得(de)到光滑(hua)如(ru)鏡的“成品晶圓（Wafer）”。

倒角，就(jiu)是(shi)通過倒角機，把硅片邊緣(yuan)的(de)直角邊磨成(cheng)圓弧(hu)形。這(zhe)是(shi)因(yin)為高(gao)純度(du)硅是(shi)一(yi)種脆(cui)性很高(gao)的(de)材料，這(zhe)樣處理可以降低邊緣(yuan)處發生崩裂的(de)風險。

研磨，就是粗研磨，使晶圓片(pian)表面平整、平行(xing)，減少機械缺(que)陷。

研(yan)磨后(hou)，晶圓會被(bei)置于(yu)氮化酸與乙酸的(de)混合溶液中(zhong)進行蝕刻，以(yi)去除表(biao)面可(ke)能存在的(de)微觀裂紋或損傷。完成蝕刻后(hou)，晶圓會再經過(guo)一系列高純度的(de) RO / DI 水浴處(chu)理，以(yi)確(que)保其表(biao)面的(de)潔(jie)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(hua)學(xue)(xue)反應(ying)階段，拋光液中富含(han)的(de)化(hua)學(xue)(xue)成分，與待(dai)處理的(de)晶(jing)圓材料發(fa)生化(hua)學(xue)(xue)反應(ying)，生成易于(yu)清(qing)除的(de)化(hua)合(he)物，或(huo)使材料表面軟(ruan)化(hua)。

機械(xie)研(yan)磨(mo)階段，借助拋光(guang)墊和拋光(guang)液中的磨(mo)粒，對(dui)晶圓材(cai)料(liao)進行機械(xie)性的磨(mo)削，從而去除在(zai)化(hua)學反應階段生成的化(hua)合(he)物(wu)，以及材(cai)料(liao)表面的其他雜質。

在(zai) CMP 工藝中(zhong)，首(shou)先需要將待拋(pao)(pao)光(guang)(guang)的晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)固定在(zai)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)機的晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)夾具上。接著，拋(pao)(pao)光(guang)(guang)液被均(jun)勻(yun)地分配在(zai)晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)和拋(pao)(pao)光(guang)(guang)墊(dian)之間。然后，拋(pao)(pao)光(guang)(guang)機通過施加適當的壓力(li)和旋(xuan)轉速度(du)，對晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)進行拋(pao)(pao)光(guang)(guang)。

CMP 是芯(xin)片制(zhi)造(zao)過程中的(de)一個常見工序（后(hou)面還(huan)會(hui)再用到）。它(ta)的(de)核(he)心目標是實現全局平坦(tan)化(hua)（Global Planarization），即在納米級精度下消除(chu)晶圓表面的(de)高(gao)低差異（如金(jin)屬層、介質層的(de)不均勻性），為后(hou)續光刻等工藝(yi)做好準備。

第五步，清洗。

拋光完成之后(hou)，晶(jing)圓需(xu)要(yao)經過徹底清洗，去除(chu)殘(can)留的拋光液(ye)和磨粒。

清洗通常包括酸、堿、超(chao)純(chun)水(shui)沖洗等多個步驟(zou)，每一步同樣(yang)也要求在潔凈室環(huan)境下進行(xing)，以避免任(ren)何新(xin)的雜質附著在晶圓表(biao)面上。

第六步，檢測和分類。

拋光(guang)之(zhi)后得到的晶圓(yuan)，也叫拋光(guang)片。

最后，使用光(guang)學顯微鏡或其他(ta)檢測設備對拋光(guang)效(xiao)果進行嚴格檢查，確(que)保晶圓的表(biao)面平坦度、材料去(qu)除量、厚(hou)度、表(biao)面缺(que)陷等指標全都(dou)符合(he)預期要(yao)求。

檢測合格的(de)晶圓，將進入下(xia)一工(gong)序。檢測不合格的(de)，進行返工(gong)或(huo)者(zhe)廢棄處理。

需要注(zhu)意(yi)！在(zai)實際生產中，晶圓邊緣會(hui)切割(ge)出平角(jiao)（Flat）或缺(que)口(kou)（Notch），以便于(yu)后續工(gong)序中的定位(wei)和(he)晶向(xiang)確定。另外，在(zai)晶圓的反面邊緣，也會(hui)打(da)上序號(hao)標(biao)簽，方(fang)便物(wu)料(liao)跟蹤。

█ 關于晶圓的常見問題

好(hao)啦(la)，晶圓已經(jing)制備完成了。接下(xia)來，我們回答幾個關于晶圓的(de)常見(jian)問題。

問題 1：晶圓的尺寸有多大？

經過處理得到的成品(pin)晶(jing)圓，有多種尺(chi)寸(cun)(cun)規(gui)格(ge)，例如：2 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（50mm）、3 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（75mm）、4 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（100mm）、5 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（125mm）、6 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（150mm）、8 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（200mm）、12 英(ying)(ying)寸(cun)(cun)（300mm）等(deng)。

小尺寸晶圓

其中，8 英寸和 12 英寸，最為常見。

晶圓的(de)厚度(du)，必須(xu)嚴(yan)格(ge)遵(zun)循 SEMI 規格(ge)等標(biao)準。例如(ru)，12 英(ying)寸晶圓的(de)厚度(du)，通常(chang)控制在 775μm±20μm（微米）范圍內，也就是(shi) 0.775 毫米左右。

晶圓(yuan)尺寸越大，每片(pian)晶圓(yuan)可制造芯片(pian)數量就(jiu)越多，單位芯片(pian)成(cheng)本就(jiu)越低。

以 8 英寸(cun)(cun)與(yu) 12 英寸(cun)(cun)硅片(pian)為例。在(zai)同樣(yang)工藝條件(jian)下，12 英寸(cun)(cun)晶圓(yuan)可使用面積超(chao)過(guo) 8 英寸(cun)(cun)晶圓(yuan)兩倍以上(shang)，可使用率（衡(heng)量單位晶圓(yuan)可生產芯片(pian)數量的指標(biao)）是 8 英寸(cun)(cun)硅片(pian)的 2.5 倍左(zuo)右。

但是，尺寸越(yue)大，就越(yue)難(nan)造(zao)，對(dui)生產技術(shu)、設備、材料、工藝要求就越(yue)多。

12 英寸，可以在收益和難度之間(jian)維(wei)持一個比較好的平衡。

問題 2：晶圓為什么是圓的？

首(shou)先，前面(mian)說了，拉單晶拉出來的(de)，就是(shi)(shi)圓(yuan)柱體，所以，切割后，就是(shi)(shi)圓(yuan)盤(pan)。

其次，圓(yuan)柱形的單晶硅錠，更便于運輸，可以盡量避(bi)免因(yin)磕(ke)碰(peng)導致的材料損耗(hao)。

第三，圓(yuan)形晶圓(yuan)在制(zhi)造過(guo)程中，更容易實現(xian)均勻(yun)加熱和冷卻，減(jian)少熱應力，提高晶體質量。

第四，晶(jing)圓做(zuo)成圓的(de)，對(dui)于芯片的(de)后續工藝，也有一(yi)定幫助。

第五，是(shi)面(mian)積利用(yong)率上(shang)有優勢。后(hou)面(mian)我(wo)們會介(jie)紹，晶圓上(shang)面(mian)會制作很多(duo)芯片。芯片確實是(shi)方(fang)(fang)的。從道理上(shang)來說(shuo)，好(hao)像(xiang)晶圓是(shi)方(fang)(fang)的，更適合方(fang)(fang)形(xing)的芯片（邊緣不會有浪費(fei)）。

但(dan)事(shi)實上，即便是做(zuo)成了“晶方”，一些邊緣仍然(ran)是不(bu)可利用的(de)。計算數據表明，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(bu)只(zhi)有硅能做(zuo)成晶圓(yuan)。目前(qian)，半導(dao)體材(cai)料已經發(fa)展到第四代(dai)。

第(di)一代(dai)(dai)半導(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)以 Si（硅）、Ge（鍺）為(wei)代(dai)(dai)表(biao)。第(di)二(er)代(dai)(dai)半導(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)以 GaAs（砷(shen)化(hua)鎵）、InP（磷(lin)化(hua)銦）為(wei)代(dai)(dai)表(biao)。第(di)三代(dai)(dai)半導(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)以 GaN（氮(dan)化(hua)鎵）、SiC（碳(tan)化(hua)硅）為(wei)代(dai)(dai)表(biao)。第(di)四(si)代(dai)(dai)半導(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)以氮(dan)化(hua)鋁（AlN）、氧化(hua)鎵（Ga2O3）、金剛(gang)石（C）為(wei)代(dai)(dai)表(biao)。

不(bu)過，目前仍有 90% 以上芯片需使用半(ban)導體(ti)硅片作為(wei)襯底片。因(yin)為(wei)它擁有優異的半(ban)導體(ti)性能、豐富(fu)的儲量及成熟的制造(zao)工藝。

關于晶(jing)圓制備，今天就(jiu)介(jie)紹到這里。

下一期，小(xiao)棗君繼續給大家講(jiang)芯片的制(zhi)造流(liu)程，看看到底是如何(he)在晶(jing)圓上做出芯片的。敬(jing)請關注！

本文來自微信公眾(zhong)號(hao)：，作者(zhe)：小棗君

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