如何制造單晶的晶圓

晶圓就是一塊薄薄的、圓形的高純硅晶片，而在這種高純硅晶片上可以加工制作出各種電路元件結(jié)構(gòu)，使之成為有特定電性功能的集成電路產(chǎn)品。

說到集成電路（integrated circuit，IC），或者實(shí)物，或者圖片，大家都見過，如下圖所示：

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能的集成電路產(chǎn)品。

晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999999999%。

晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料，半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅，因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓。

近年來全球硅晶圓供給不足，導(dǎo)致8英寸、12英寸硅晶圓訂單能見度分別已達(dá)2019上半年和年底。目前國(guó)內(nèi)多個(gè)硅晶圓項(xiàng)目已經(jīng)開始籌備，期望有朝一日能夠打破進(jìn)口依賴，并有足夠的能力滿足市場(chǎng)需求。

硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造可以歸納為三個(gè)基本步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。

如何制造單晶的晶圓

純化分成兩個(gè)階段，第一步是冶金級(jí)純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對(duì)于芯片制造來說依舊不夠，仍需要進(jìn)一步提升。因此，將再進(jìn)一步采用西門子制程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅。

▲ 硅柱制造流程（Source： Wikipedia）

接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶硅融化，形成液態(tài)的硅。之后，以單晶的硅種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因?yàn)楣柙优帕芯秃腿伺抨?duì)一樣，會(huì)需要排頭讓后來的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排隊(duì)。最后，待離開液面的硅原子凝固后，排列整齊的單晶硅柱便完成了。

▲ 單晶硅柱（Souse：Wikipedia）

然而，8寸、12寸又代表什么東西呢？他指的是我們產(chǎn)生的晶柱，長(zhǎng)得像鉛筆筆桿的部分，表面經(jīng)過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢？如前面所說，晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過棉花糖的話，應(yīng)該都知道要做出大而且扎實(shí)的棉花糖是相當(dāng)困難的，而拉晶的過程也是一樣，旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的品質(zhì)。也因此，尺寸愈大時(shí)，拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質(zhì) 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

只是，一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板，為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓，接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片，圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過這么多步驟，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是芯片制造。