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 ，何制甚至算得上是服务器租用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 、源码下载晶圆制备
、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 ，源码库都不做 。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。

最著名的建站模板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” ，香港云服务器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） 。模板下载

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。