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，何制甚至算得上是云计算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、源码库晶圆制备 、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，亿华云都不做。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。

最著名的源码下载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”
，模板下载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） 。香港云服务器

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。