晶圆是如何制造出来的？

芯片 ，晶圆是何制人类科技的精华 ，也被称为现代工业皇冠上的造出明珠 。

芯片的晶圆基本组成是晶体管 。晶体管的何制基本工作原理其实并不复杂
，但在指甲盖那么小的造出面积里，塞入数以百亿级的晶圆晶体管
，就让这件事情不再简单，何制甚至算得上是亿华云造出人类有史以来最复杂的工程，没有之一。晶圆

接下来这段时间 ，何制小枣君会通过一系列文章，造出专门介绍芯片的晶圆制造流程 。

今天这篇，何制先讲讲晶圆制造。造出

主要阶段和分工

介绍晶圆之前 ，小枣君先介绍一下芯片制造的一些背景知识 。

芯片的制造 ，需要经过数百道工序 。我们可以先将其归纳为四个主要阶段——芯片设计、建站模板晶圆制备、芯片制造（前道）、封装测试（后道）。

我们经常会听说Fabless 、Foundry、IDM等名词。这些名词 ，和芯片行业的分工有密切关系 。

通常来说
，行业里有些企业，只专注于芯片的设计 。芯片的制造 
、封装和测试，模板下载都不做 。这些企业，就属于Fabless企业 ，例如高通、英伟达、联发科 、（以前的）华为等。

也有些企业，专门负责生产芯片，没有自己品牌的芯片。这些企业 ，就属于Foundry ，晶圆代工厂。

最著名的免费模板Foundry 
，当然是我国台湾省的台积电。中芯国际（SMIC）
、联华电子（UMC）、华虹集团等，也属于Foundry 。

芯片制造的难度比芯片设计还高。我们国内很多企业都具备先进制程芯片的设计能力，但找不到Foundry把芯片造出来 。所以，通常说的“卡脖子”，服务器租用就是指的芯片制造这个环节 。

Foundry生产出来的芯片
，一般叫裸片
。裸片是没法直接用的，需要经过封装、测试等环节 。专门做封装和测试的厂家，就是OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半导体封装与测试）。源码下载

当然 ，有的晶圆厂自己也有自己的封测厂 ，但通常不如OSAT灵活好用
。业界比较知名的OSAT玩家有：日月光（ASE） 、长电科技 、联合科技（UTAC） 、Amkor等。

最后就是IDM 。

IDM是Integrated Device Manufacturer（整合元件制造商）的简称
。有些公司 ，既做芯片设计，又做晶圆生产，还做封测
，端到端全部都做 。这种企业 ，就叫做IDM。

全球具备这种能力的企业，不是太多，包括英特尔 、三星、德州仪器 、意法半导体等。

IDM看上去很厉害，什么都能干 。但实际上，芯片这个产业过于庞大，精细化分工是大势所趋。Fabless+Foundry模式，术业有专攻，在专业性、效率和收益方面，都更有优势。

AMD曾经也是IDM ，但后来改弦更张，也走轻资产的Fabless模式了。它的晶圆厂被剥离出去后，摇身一变，成了全球前五的晶圆代工厂：格罗方德（GlobalFoundries）。

晶圆制备

好了，接下来 ，我们来看具体的制造过程 。

首先
，还是从最基本的晶圆制备说起
。

这个 ，就是晶圆

我们经常说，芯片是沙子造的。其实，主要是因为沙子里面 ，含有大量的硅（Si）元素 。

硅是地壳内第二丰富的元素，仅次于氧

沙子里有硅，但是纯度很低
，而且是二氧化硅（SiO2）。我们不能随便抓一把沙子就拿来提炼硅。通常 ，会选用含硅量比较高的石英砂矿石。

高纯石英砂矿石

第一步 ，脱氧、提纯。

将石英砂原料放入熔炉中，加热到1400℃以上的高温（硅的熔点为1410℃），与碳源发生化学反应，就可以生成高纯度（98%以上）的冶金级工业硅（MG-Si） 。

冶金级工业硅

随后 ，通过氯化反应和蒸馏工艺，进一步提纯
，得到纯度更高的硅。

硅这个材料 ，不仅可以用于半导体芯片制造 ，也可以用于光伏行业（太阳能发电）。

在光伏行业，对硅的纯度要求是99.9999%到99.999999%
，也就是4~6个9，叫（SG-Si）。

光伏板

在半导体芯片行业
，对硅的纯度要求更加变态，是99.9999999%到99.999999999%，也就是9~11个9。这种用于半导体制造的硅 ，学名电子级硅（EG-Si）
，平均每一百万个硅原子中最多只允许有一个杂质原子 。

第二步，拉单晶硅（铸锭）

这种经过提纯之后的硅 ，是多晶硅
。接下来，还需要把它变成单晶硅。

之前介绍半导体发展简史的时候，小枣君给大家解释过单晶硅和多晶硅。

简单来说
，单晶硅具有完美的晶体结构
，有非常好的性能 。多晶硅，晶粒大 、不规则 、缺陷多，各种性能都相对差。所以，芯片这种高端货 ，基本都使用单晶硅。光伏那边，可以用多晶硅
。

将多晶硅变成单晶硅
，目前主流的制法，是柴克拉夫斯基法（也就是直拉法）。

首先 ，加热熔化高纯度多晶硅 ，形成液态的硅 。

规模庞大的单晶熔炉

然后，将一条细小的单晶硅作为引子（也叫做硅种、籽晶） 
，伸入硅溶液。

接着，缓慢地向上旋转提拉。被拉出的硅溶液
，因为温度梯度下降 ，会凝固成固态硅柱。

在硅种的带领下 ，离开液面的硅原子凝固后都是“排着队”的
，也就变成了排列整齐的单晶硅柱。

（注意，拉的速度不太一样 。最开始 ，是以6mm/分钟的速度，拉出10cm左右的固态硅柱 。这主要是因为 ，晶体刚刚形成时
，会因为热冲击，晶相不稳定，容易产生晶体缺陷 。拉出10cm长度之后 ，就可以减速了 ，变成缓慢提拉
。）

旋转拉起的速度以及温度的控制 ，对晶柱品质有很大的影响
。硅柱尺寸愈大时 ，拉晶对速度与温度的要求就更高 。

最后 ，会拉出一根直径通常为30厘米，长度约1-1.5米的圆柱形硅柱 。这个硅柱 ，就是晶棒  ，也叫做硅锭（呵呵 ，和“龟腚”、“规定”同音） 。

第三步 ，晶圆切割。

拉出来的硅锭，要截去头和尾，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
，是采用带有金刚线的多线切割机，也就是用线上固定有金刚石颗粒的钢丝线 ，对硅段进行多段切割
。这种方法的效率高、损耗少 。

金刚线锯

切片有时候也会采用内圆锯。内圆锯则是内圆镀有金刚石的薄片，通过旋转内圆薄片切割晶锭。内圆锯的切割精度和速度相对较高，适用于高质量晶圆的切割  。

内圆锯

硅片非常脆弱，所以切割过程也需要十分小心 ，要严格控制温度和振动。切割时，需要使用水基或油基的切割液，用来冷却和润滑，以及带走切割产生的碎屑。

第四步，倒角、研磨
、抛光。

切割得到的硅片，被称为“裸片”
，即未经加工的“原料晶圆”。

裸片的表面会非常粗糙
，而且会有残留切割液和碎屑。因此，需要倒角 、研磨、抛光
、清洗等工艺
，完成切割后的处理，最终得到光滑如镜的“成品晶圆（Wafer）”。

倒角，就是通过倒角机，把硅片边缘的直角边磨成圆弧形
。这是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料 ，这样处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。

研磨 ，就是粗研磨
，使晶圆片表面平整、平行，减少机械缺陷 。

研磨后，晶圆会被置于氮化酸与乙酸的混合溶液中进行蚀刻，以去除表面可能存在的微观裂纹或损伤。完成蚀刻后
，晶圆会再经过一系列高纯度的RO/DI水浴处理，以确保其表面的洁净度。

晶圆在一系列化学和机械抛光过程中抛光 ，称为CMP（Chemical Mechanical Polish，化学机械抛光）。

其中，化学反应阶段 ，抛光液中富含的化学成分，与待处理的晶圆材料发生化学反应 ，生成易于清除的化合物，或使材料表面软化
。

机械研磨阶段 
，借助抛光垫和抛光液中的磨粒，对晶圆材料进行机械性的磨削，从而去除在化学反应阶段生成的化合物 ，以及材料表面的其他杂质。

在CMP工艺中，首先需要将待抛光的晶圆固定在抛光机的晶圆夹具上。接着 ，抛光液被均匀地分配在晶圆和抛光垫之间
 。然后 ，抛光机通过施加适当的压力和旋转速度 ，对晶圆进行抛光。

CMP是芯片制造过程中的一个常见工序（后面还会再用到） 。它的核心目标是实现全局平坦化（Global Planarization），即在纳米级精度下消除晶圆表面的高低差异（如金属层
、介质层的不均匀性）  ，为后续光刻等工艺做好准备。

第五步
，清洗。

抛光完成之后
，晶圆需要经过彻底清洗，去除残留的抛光液和磨粒 。

清洗通常包括酸、碱 、超纯水冲洗等多个步骤 ，每一步同样也要求在洁净室环境下进行，以避免任何新的杂质附着在晶圆表面上。

第六步，检测和分类。

抛光之后得到的晶圆 ，也叫抛光片 。

最后
 ，使用光学显微镜或其他检测设备对抛光效果进行严格检查 ，确保晶圆的表面平坦度、材料去除量
、厚度
、表面缺陷等指标全都符合预期要求。

检测合格的晶圆，将进入下一工序。检测不合格的 ，进行返工或者废弃处理 。

需要注意 ！在实际生产中 ，晶圆边缘会切割出平角（Flat）或缺口（Notch），以便于后续工序中的定位和晶向确定。另外
，在晶圆的反面边缘 ，也会打上序号标签  ，方便物料跟踪。

关于晶圆的常见问题

好啦，晶圆已经制备完成了。接下来，我们回答几个关于晶圆的常见问题。

问题1：晶圆的尺寸有多大？

经过处理得到的成品晶圆 ，有多种尺寸规格，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。

小尺寸晶圆

其中  ，8英寸和12英寸，最为常见。

晶圆的厚度，必须严格遵循SEMI规格等标准。例如
，12英寸晶圆的厚度 ，通常控制在775μm±20μm（微米）范围内 ，也就是0.775毫米左右 。

晶圆尺寸越大 ，每片晶圆可制造芯片数量就越多，单位芯片成本就越低。

以8英寸与12英寸硅片为例。在同样工艺条件下，12英寸晶圆可使用面积超过 8英寸晶圆两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产芯片数量的指标）是8英寸硅片的2.5倍左右。

但是，尺寸越大 ，就越难造 ，对生产技术、设备、材料、工艺要求就越多 。

12英寸 ，可以在收益和难度之间维持一个比较好的平衡 。

问题2：晶圆为什么是圆的？

首先，前面说了，拉单晶拉出来的 ，就是圆柱体，所以  ，切割后 ，就是圆盘。

其次，圆柱形的单晶硅锭，更便于运输
，可以尽量避免因磕碰导致的材料损耗。

第三，圆形晶圆在制造过程中 ，更容易实现均匀加热和冷却，减少热应力
，提高晶体质量。

第四，晶圆做成圆的 ，对于芯片的后续工艺，也有一定帮助。

第五 ，是面积利用率上有优势
。后面我们会介绍 ，晶圆上面会制作很多芯片。芯片确实是方的。从道理上来说，好像晶圆是方的，更适合方形的芯片（边缘不会有浪费）。

但事实上，即便是做成了“晶方”，一些边缘仍然是不可利用的。计算数据表明
，圆形边缘比方形浪费更少 。

问题3：晶圆一定是硅材料吗？

不一定 。

不只有硅能做成晶圆。目前 ，半导体材料已经发展到第四代 。

第一代半导体材料以 Si（硅） 、Ge（锗）为代表。第二代半导体材料以 GaAs（砷化镓）
、InP（磷化铟）为代表。第三代半导体材料以 GaN（氮化镓）
、SiC（碳化硅）为代表。第四代半导体材料以氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3） 、金刚石（C）为代表。

不过，目前仍有90%以上芯片需使用半导体硅片作为衬底片。因为它拥有优异的半导体性能、丰富的储量及成熟的制造工艺。

关于晶圆制备 ，今天就介绍到这里。

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