浅谈晶圆制造的步骤流程

文章来源：鲜枣课堂

原文作者：小枣君

芯片，是人类科技的精华，也被称为现代工业皇冠上的明珠。芯片的基本组成是晶体管。晶体管的基本工作原理其实并不复杂，但在指甲盖那么小的面积里，塞入数以百亿级的晶体管，就让这件事情不再简单，甚至算得上是人类有史以来最复杂的工程，没有之一。今天这篇文章介绍一下晶圆制造。

主要阶段和分工

介绍晶圆之前，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、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，都不做。这些企业，就属于Fabless企业，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。

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”，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)。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。

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。

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。

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。

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)。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。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。