文章來源：鮮棗課堂

原文作者：小棗君

芯片，是人類科技的精華，也被稱為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠。芯片的基本組成是晶體管。晶體管的基本工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，但在指甲蓋那么小的面積里，塞入數(shù)以百億級(jí)的晶體管，就讓這件事情不再簡單，甚至算得上是人類有史以來最復(fù)雜的工程，沒有之一。今天這篇文章介紹一下晶圓制造。

主要階段和分工

介紹晶圓之前，先介紹一下芯片制造的一些背景知識(shí)。

芯片的制造，需要經(jīng)過數(shù)百道工序。我們可以先將其歸納為四個(gè)主要階段——芯片設(shè)計(jì)、晶圓制備、芯片制造(前道)、封裝測(cè)試(后道)。

我們經(jīng)常會(huì)聽說Fabless、Foundry、IDM等名詞。這些名詞，和芯片行業(yè)的分工有密切關(guān)系。

通常來說，行業(yè)里有些企業(yè)，只專注于芯片的設(shè)計(jì)。芯片的制造、封裝和測(cè)試，都不做。這些企業(yè)，就屬于Fabless企業(yè)，也有些企業(yè)，專門負(fù)責(zé)生產(chǎn)芯片，沒有自己品牌的芯片。這些企業(yè)，就屬于Foundry，晶圓代工廠。

芯片制造的難度比芯片設(shè)計(jì)還高。我們國內(nèi)很多企業(yè)都具備先進(jìn)制程芯片的設(shè)計(jì)能力，但找不到Foundry把芯片造出來。所以，通常說的“卡脖子”，就是指的芯片制造這個(gè)環(huán)節(jié)。

Foundry生產(chǎn)出來的芯片，一般叫裸片。裸片是沒法直接用的，需要經(jīng)過封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)。專門做封裝和測(cè)試的廠家，就是OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導(dǎo)體封裝與測(cè)試)。當(dāng)然，有的晶圓廠自己也有自己的封測(cè)廠，但通常不如OSAT靈活好用。

最后就是IDM。IDM是Integrated Device Manufacturer(整合元件制造商)的簡稱。有些公司，既做芯片設(shè)計(jì)，又做晶圓生產(chǎn)，還做封測(cè)，端到端全部都做。這種企業(yè)，就叫做IDM。

IDM看上去很厲害，什么都能干。但實(shí)際上，芯片這個(gè)產(chǎn)業(yè)過于龐大，精細(xì)化分工是大勢(shì)所趨。Fabless+Foundry模式，術(shù)業(yè)有專攻，在專業(yè)性、效率和收益方面，都更有優(yōu)勢(shì)。

晶圓制備

好了，接下來，我們來看具體的制造過程。

首先，還是從最基本的晶圓制備說起。

這個(gè)，就是晶圓。我們經(jīng)常說，芯片是沙子造的。其實(shí)，主要是因?yàn)樯匙永锩?，含有大量的?Si)元素。

硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，僅次于氧。沙子里有硅，但是純度很低，而且是二氧化硅(SiO2)。我們不能隨便抓一把沙子就拿來提煉硅。通常，會(huì)選用含硅量比較高的石英砂礦石。

第一步，脫氧、提純。

將石英砂原料放入熔爐中，加熱到1400℃以上的高溫(硅的熔點(diǎn)為1410℃)，與碳源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就可以生成高純度(98%以上)的冶金級(jí)工業(yè)硅(MG-Si)。

隨后，通過氯化反應(yīng)和蒸餾工藝，進(jìn)一步提純，得到純度更高的硅。

硅這個(gè)材料，不僅可以用于半導(dǎo)體芯片制造，也可以用于光伏行業(yè)(太陽能發(fā)電)。

在光伏行業(yè)，對(duì)硅的純度要求是99.9999%到99.999999%，也就是4~6個(gè)9，叫(SG-Si)。

在半導(dǎo)體芯片行業(yè)，對(duì)硅的純度要求更加變態(tài)，是99.9999999%到99.999999999%，也就是9~11個(gè)9。這種用于半導(dǎo)體制造的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EG-Si)，平均每一百萬個(gè)硅原子中最多只允許有一個(gè)雜質(zhì)原子。

第二步，拉單晶硅(鑄錠)

這種經(jīng)過提純之后的硅，是多晶硅。接下來，還需要把它變成單晶硅。

簡單來說，單晶硅具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，有非常好的性能。多晶硅，晶粒大、不規(guī)則、缺陷多，各種性能都相對(duì)差。所以，芯片這種高端貨，基本都使用單晶硅。光伏那邊，可以用多晶硅。

將多晶硅變成單晶硅，目前主流的制法，是柴克拉夫斯基法(也就是直拉法)。

首先，加熱熔化高純度多晶硅，形成液態(tài)的硅。

然后，將一條細(xì)小的單晶硅作為引子(也叫做硅種、籽晶)，伸入硅溶液。

接著，緩慢地向上旋轉(zhuǎn)提拉。被拉出的硅溶液，因?yàn)闇囟忍荻认陆?，?huì)凝固成固態(tài)硅柱。

在硅種的帶領(lǐng)下，離開液面的硅原子凝固后都是“排著隊(duì)”的，也就變成了排列整齊的單晶硅柱。(注意，拉的速度不太一樣。最開始，是以6mm/分鐘的速度，拉出10cm左右的固態(tài)硅柱。這主要是因?yàn)?，晶體剛剛形成時(shí)，會(huì)因?yàn)闊釠_擊，晶相不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生晶體缺陷。拉出10cm長度之后，就可以減速了，變成緩慢提拉。)

旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制，對(duì)晶柱品質(zhì)有很大的影響。硅柱尺寸愈大時(shí)，拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高。

最后，會(huì)拉出一根直徑通常為30厘米，長度約1-1.5米的圓柱形硅柱。這個(gè)硅柱，就是晶棒，也叫做硅錠。

第三步，晶圓切割。

拉出來的硅錠，要截去頭和尾，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，是采用帶有金剛線的多線切割機(jī)，也就是用線上固定有金剛石顆粒的鋼絲線，對(duì)硅段進(jìn)行多段切割。這種方法的效率高、損耗少。

切片有時(shí)候也會(huì)采用內(nèi)圓鋸。內(nèi)圓鋸則是內(nèi)圓鍍有金剛石的薄片，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)圓薄片切割晶錠。內(nèi)圓鋸的切割精度和速度相對(duì)較高，適用于高質(zhì)量晶圓的切割。

硅片非常脆弱，所以切割過程也需要十分小心，要嚴(yán)格控制溫度和振動(dòng)。切割時(shí)，需要使用水基或油基的切割液，用來冷卻和潤滑，以及帶走切割產(chǎn)生的碎屑。

第四步，倒角、研磨、拋光。

切割得到的硅片，被稱為“裸片”，即未經(jīng)加工的“原料晶圓”。

裸片的表面會(huì)非常粗糙，而且會(huì)有殘留切割液和碎屑。因此，需要倒角、研磨、拋光、清洗等工藝，完成切割后的處理，最終得到光滑如鏡的“成品晶圓(Wafer)”。

倒角，就是通過倒角機(jī)，把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形。這是因?yàn)楦呒兌裙枋且环N脆性很高的材料，這樣處理可以降低邊緣處發(fā)生崩裂的風(fēng)險(xiǎn)。

研磨，就是粗研磨，使晶圓片表面平整、平行，減少機(jī)械缺陷。

研磨后，晶圓會(huì)被置于氮化酸與乙酸的混合溶液中進(jìn)行蝕刻，以去除表面可能存在的微觀裂紋或損傷。完成蝕刻后，晶圓會(huì)再經(jīng)過一系列高純度的RO/DI水浴處理，以確保其表面的潔凈度。

晶圓在一系列化學(xué)和機(jī)械拋光過程中拋光，稱為CMP(Chemical Mechanical Polish，化學(xué)機(jī)械拋光)。

其中，化學(xué)反應(yīng)階段，拋光液中富含的化學(xué)成分，與待處理的晶圓材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易于清除的化合物，或使材料表面軟化。

機(jī)械研磨階段，借助拋光墊和拋光液中的磨粒，對(duì)晶圓材料進(jìn)行機(jī)械性的磨削，從而去除在化學(xué)反應(yīng)階段生成的化合物，以及材料表面的其他雜質(zhì)。

在CMP工藝中，首先需要將待拋光的晶圓固定在拋光機(jī)的晶圓夾具上。接著，拋光液被均勻地分配在晶圓和拋光墊之間。然后，拋光機(jī)通過施加適當(dāng)?shù)膲毫托D(zhuǎn)速度，對(duì)晶圓進(jìn)行拋光。

CMP是芯片制造過程中的一個(gè)常見工序(后面還會(huì)再用到)。它的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全局平坦化(Global Planarization)，即在納米級(jí)精度下消除晶圓表面的高低差異(如金屬層、介質(zhì)層的不均勻性)，為后續(xù)光刻等工藝做好準(zhǔn)備。

第五步，清洗。

拋光完成之后，晶圓需要經(jīng)過徹底清洗，去除殘留的拋光液和磨粒。

清洗通常包括酸、堿、超純水沖洗等多個(gè)步驟，每一步同樣也要求在潔凈室環(huán)境下進(jìn)行，以避免任何新的雜質(zhì)附著在晶圓表面上。

第六步，檢測(cè)和分類。

拋光之后得到的晶圓，也叫拋光片。

最后，使用光學(xué)顯微鏡或其他檢測(cè)設(shè)備對(duì)拋光效果進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保晶圓的表面平坦度、材料去除量、厚度、表面缺陷等指標(biāo)全都符合預(yù)期要求。

檢測(cè)合格的晶圓，將進(jìn)入下一工序。檢測(cè)不合格的，進(jìn)行返工或者廢棄處理。

需要注意!在實(shí)際生產(chǎn)中，晶圓邊緣會(huì)切割出平角(Flat)或缺口(Notch)，以便于后續(xù)工序中的定位和晶向確定。另外，在晶圓的反面邊緣，也會(huì)打上序號(hào)標(biāo)簽，方便物料跟蹤。

關(guān)于晶圓的常見問題

問題1：晶圓的尺寸有多大?

經(jīng)過處理得到的成品晶圓，有多種尺寸規(guī)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。其中，8英寸和12英寸，最為常見。晶圓的厚度，必須嚴(yán)格遵循SEMI規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)。例如，12英寸晶圓的厚度，通常控制在775μm±20μm(微米)范圍內(nèi)，也就是0.775毫米左右。晶圓尺寸越大，每片晶圓可制造芯片數(shù)量就越多，單位芯片成本就越低。以8英寸與12英寸硅片為例。在同樣工藝條件下，12英寸晶圓可使用面積超過 8英寸晶圓兩倍以上，可使用率(衡量單位晶圓可生產(chǎn)芯片數(shù)量的指標(biāo))是8英寸硅片的2.5倍左右。但是，尺寸越大，就越難造，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備、材料、工藝要求就越多。12英寸，可以在收益和難度之間維持一個(gè)比較好的平衡。

問題2：晶圓為什么是圓的?

首先，前面說了，拉單晶拉出來的，就是圓柱體，所以，切割后，就是圓盤。其次，圓柱形的單晶硅錠，更便于運(yùn)輸，可以盡量避免因磕碰導(dǎo)致的材料損耗。第三，圓形晶圓在制造過程中，更容易實(shí)現(xiàn)均勻加熱和冷卻，減少熱應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量。第四，晶圓做成圓的，對(duì)于芯片的后續(xù)工藝，也有一定幫助。第五，是面積利用率上有優(yōu)勢(shì)。后面我們會(huì)介紹，晶圓上面會(huì)制作很多芯片。芯片確實(shí)是方的。從道理上來說，好像晶圓是方的，更適合方形的芯片(邊緣不會(huì)有浪費(fèi))。但事實(shí)上，即便是做成了“晶方”，一些邊緣仍然是不可利用的。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，圓形邊緣比方形浪費(fèi)更少。

問題3：晶圓一定是硅材料嗎?

不一定。不只有硅能做成晶圓。目前，半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第四代。第一代半導(dǎo)體材料以 Si(硅)、Ge(鍺)為代表。第二代半導(dǎo)體材料以 GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)為代表。第三代半導(dǎo)體材料以 GaN(氮化鎵)、SiC(碳化硅)為代表。第四代半導(dǎo)體材料以氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga2O3)、金剛石(C)為代表。不過，目前仍有90%以上芯片需使用半導(dǎo)體硅片作為襯底片。因?yàn)樗鼡碛袃?yōu)異的半導(dǎo)體性能、豐富的儲(chǔ)量及成熟的制造工藝。