深度解析：晶圆制造工艺大揭秘

芯片，作为人类科技的精华，被誉为现代工业皇冠上的明珠。芯片的基本组成是晶体管，虽然晶体管的基本工作原理并不复杂，但要在指甲盖大小的面积里塞入数以百亿级的晶体管，这无疑是人类有史以来最复杂的工程之一。接下来，我们将通过一系列文章专门介绍芯片的制造流程，本文先聚焦于晶圆制造。

主要阶段和分工

在介绍晶圆之前，有必要了解一下芯片制造的背景知识。芯片制造需历经数百道工序，可归纳为四个主要阶段，即芯片设计、晶圆制备、芯片制造（前道）、封装测试（后道）。在芯片行业中，存在着不同的分工模式，常见的有 Fabless、Foundry、IDM 等。

Fabless 企业专注于芯片设计，而将制造、封装和测试环节外包，像高通、英伟达、联发科、（以前的）华为等都属于此类。Foundry 则是专门负责生产芯片的晶圆代工厂，我国台湾省的台积电是其中最著名的代表，中芯国际（SMIC）、联华电子（UMC）、华虹集团等也位列其中。值得注意的是，芯片制造的难度高于芯片设计，国内很多企业虽具备先进制程芯片的设计能力，但因缺乏合适的 Foundry 而面临困境，这也是所谓的 “卡脖子” 环节。

Foundry 生产出的裸片无法直接使用，需要经过封装、测试等环节。专门从事封装和测试的厂家被称为 OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半导体封装与测试），业界知名的 OSAT 玩家有日月光（ASE）、长电科技、联合科技（UTAC）、Amkor 等。当然，部分晶圆厂也拥有自己的封测厂，但通常不如 OSAT 灵活高效。

IDM 即 Integrated Device Manufacturer（整合元件制造商），这类公司集芯片设计、晶圆生产和封测于一体，端到端全部负责。全球具备这种能力的企业并不多，包括英特尔、三星、德州仪器、意法半导体等。不过，随着芯片产业的不断发展，精细化分工成为大势所趋，Fabless + Foundry 模式在专业性、效率和收益方面更具优势。例如，AMD 曾经是 IDM，后来转变为轻资产的 Fabless 模式，其晶圆厂剥离后成为全球前五的晶圆代工厂格罗方德（GlobalFoundries）。

晶圆制备

接下来，我们详细了解晶圆的具体制造过程。

我们常说芯片是由沙子制造的，这是因为沙子中含有大量的硅（Si）元素。硅是地壳内第二丰富的元素，仅次于氧。不过，沙子中的硅纯度很低，且以二氧化硅（SiO₂）的形式存在，因此通常选用含硅量较高的石英砂矿石作为原料。

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，生成高纯度（98% 以上）的冶金级工业硅（MG - Si）。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。硅材料不仅可用于半导体芯片制造，还广泛应用于光伏行业（太阳能发电）。在光伏行业，对硅的纯度要求为 99.9999% 到 99.999999%，即 4 - 6 个 9，称为（SG - Si）；而在半导体芯片行业，对硅的纯度要求更为苛刻，达到 99.9999999% 到 99.999999999%，即 9 - 11 个 9，这种用于半导体制造的硅被称为电子级硅（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）

经过提纯后的硅是多晶硅，要将其转变为单晶硅。单晶硅具有完美的晶体结构，性能优良，而多晶硅晶粒大、不规则、缺陷多，性能相对较差，因此芯片制造基本使用单晶硅，光伏领域则可以使用多晶硅。目前，将多晶硅变成单晶硅的主流制法是柴克拉夫斯基法（直拉法）。首先，加热熔化高纯度多晶硅，形成液态的硅。然后，将一条细小的单晶硅作为引子（硅种、籽晶）伸入硅溶液，缓慢地向上旋转提拉。被拉出的硅溶液因温度梯度下降而凝固成固态硅柱，在硅种的引导下，离开液面的硅原子排列整齐，形成单晶硅柱。需要注意的是，拉晶速度在开始阶段为 6mm / 分钟，拉出 10cm 左右的固态硅柱，这是为了避免晶体因热冲击产生缺陷。之后，拉晶速度会减慢。旋转拉起的速度以及温度的控制对晶柱品质影响很大，硅柱尺寸越大，对拉晶速度与温度的要求就越高。最终，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，即晶棒，也叫硅锭。

第三步：晶圆切割

拉出来的硅锭需要截去头和尾，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，利用线上固定有金刚石颗粒的钢丝线对硅段进行多段切割，这种方法效率高、损耗少。此外，切片有时也会采用内圆锯，内圆锯是内圆镀有金刚石的薄片，通过旋转内圆薄片切割晶锭，其切割精度和速度相对较高，适用于高质量晶圆的切割。由于硅片非常脆弱，切割过程需要严格控制温度和振动，并使用水基或油基的切割液进行冷却、润滑和带走碎屑。

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”。裸片表面粗糙，且有残留切割液和碎屑，因此需要进行倒角、研磨、抛光、清洗等工艺处理。倒角是通过倒角机将硅片边缘的直角边磨成圆弧形，以降低边缘崩裂的风险。研磨是粗研磨，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，随后经过一系列高纯度的 RO/DI 水浴处理，确保表面洁净度。晶圆的抛光过程称为 CMP（Chemical Mechanical Polish，化学机械抛光），包括化学反应和机械研磨两个阶段。在化学反应阶段，抛光液中的化学成分与晶圆材料发生反应，生成易于清除的化合物或使材料表面软化；在机械研磨阶段，借助抛光垫和抛光液中的磨粒对晶圆材料进行磨削，去除化学反应生成的化合物和其他杂质。CMP 工艺的核心目标是实现全局平坦化，为后续光刻等工艺做好准备。

第五步：清洗

抛光完成后，晶圆需要进行彻底清洗，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，且每一步都要求在洁净室环境下进行，以防止新的杂质附着在晶圆表面。

第六步：检测和分类

抛光后得到的晶圆也叫抛光片，最后需要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、表面缺陷等指标符合预期要求。检测合格的晶圆将进入下一工序，不合格的则进行返工或废弃处理。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，同时在晶圆的反面边缘会打上序号标签，方便物料跟踪。

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，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，即 0.775 毫米左右。晶圆尺寸越大，每片晶圆可制造的芯片数量就越多，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，可使用率是 8 英寸硅片的 2.5 倍左右。然而，尺寸越大，制造难度就越高，对生产技术、设备、材料、工艺的要求也越多。12 英寸晶圆在收益和难度之间能维持一个较好的平衡。

问题 2：晶圆为什么是圆的？

首先，拉单晶得到的是圆柱体，切割后自然是圆盘形状。其次，圆柱形的单晶硅锭便于运输，可减少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，圆形晶圆对芯片的后续工艺有一定帮助。第五，从面积利用率来看，虽然芯片是方形的，但即便将晶圆做成方形，边缘仍有不可利用的部分，计算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？

答案是否定的。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% 以上的芯片需使用半导体硅片作为衬底片，这是因为硅拥有优异的半导体性能、丰富的储量及成熟的制造工艺。

综上所述，晶圆制造是一个复杂而精细的过程，每一个环节都对芯片的质量和性能有着至关重要的影响。随着科技的不断进步，晶圆制造技术也在不断发展和创新，未来有望为芯片产业带来更多的突破和发展。