芯片是人类科技的精髓，也被称为现代工业皇冠上的明珠。
芯片的基本部件是晶体管。晶体管的基本工作原理其实并不复杂，但是当你把几百亿个晶体管塞进一个指甲大小的区域时，它就不再简单了。它甚至可以被认为是人类历史上最复杂的工程壮举之一，无一例外。
在接下来的一段时间里，我将通过一系列文章来介绍芯片制造工艺。
今天的文章将首先谈谈晶圆制造。
- 主要阶段和分工
在介绍晶圆之前，让我先介绍一些芯片制造的背景知识。
芯片制造涉及数百道工序。我们最初可以将它们分为四个主要阶段：芯片设计、晶圆制备、芯片制造（前端）和封装/测试（后端）。
我们经常听到诸如 Fabless、Foundry 和 IDM 之类的术语。这些术语与芯片行业的分工密切相关。
一般来说，业内一些公司只专注于芯片设计，不从事制造、封装或测试。这些公司被称为 Fabless，例如高通、英伟达、联发科和（以前的）华为。
还有一些公司专门从事芯片生产，但没有自己的品牌芯片。这些公司被称为晶圆代工厂，晶圆代工厂。
最著名的代工厂是台湾的台积电。中芯国际、联电、华虹集团也属于代工类别。
芯片制造比芯片设计更难。我国许多公司拥有先进的芯片设计能力，但找不到代工厂生产芯片。因此，所谓的"瓶颈"通常是指芯片制造工艺。
fab厂生产的芯片通常称为裸die。裸die不能直接使用，需要经过封装、测试等步骤。专门从事封装和测试的公司称为 OSAT（外包半导体组装和测试）。
当然，一些晶圆代工厂也有自己的封装和测试设施，但它们通常不如OSAT灵活和高效。业内知名的OSAT厂商包括ASE、JCET、UTAC、Amkor等。
最后，还有 IDM。
IDM 代表集成设备制造商。一些公司负责芯片设计、晶圆生产和封装/测试，从头到尾做所有事情。这些公司被称为 IDM。
全球拥有这种能力的公司并不多，包括英特尔、三星、德州仪器和意法半导体。
IDM看似无所不为，实力强大，但实际上，芯片行业过于庞大，专业分工才是趋势。Fabless + Foundry 模式在专业性、效率和盈利能力方面具有明显的优势。
AMD 曾经是 IDM，但后来转向 Fabless 模型。在剥离晶圆代工厂后，它转型为全球五大晶圆代工厂之一的 GlobalFoundries。
- 晶圆制备
首先，让我们从最基本的过程开始：晶圆制备。
我们常说芯片是由沙子制成的。事实上，这主要是因为沙子中含有大量的硅（Si）元素。
硅是地壳中第二丰富的元素，仅次于氧。
硅存在于沙子中，但纯度低，以二氧化硅 （SiO2） 的形式存在。我们不能只抓一把沙子来提取硅。通常，选择硅含量较高的石英砂矿石。
第一步：脱氧纯化。
将石英砂材料放入炉中，加热至1400°C以上（硅的熔点为1410°C）。与碳源发生化学反应，产生高纯度（98% 以上）冶金级硅 （MG-Si）。
接下来，通过氯化和蒸馏工艺进一步纯化硅，得到更高纯度的硅。
这种硅材料不仅用于半导体芯片制造，还用于光伏产业（太阳能发电）。
在光伏行业，硅的纯度要求为99.9999%至99.999999%，即4至6个九，称为SG-Si（太阳能级硅）。
在半导体芯片行业，纯度要求更为极端，从99.99999999%到99.9999999999%，或者9到11个9。这种用于半导体制造的硅称为电子级硅 （EG-Si），平均每百万个硅原子只允许一个杂质原子。
第 2 步：拉单晶硅（铸锭）。
提纯后得到的硅是多晶硅。下一步是将其变成单晶硅。
简单来说，单晶硅具有完美的晶体结构和优异的性能。多晶硅晶粒大而不规则，缺陷多，性能相对较差。因此，高端芯片主要采用单晶硅，而多晶硅则用于光伏应用。
将多晶硅变成单晶硅的主流方法是直拉法（又称拉法）。
首先，将高纯度多晶硅加热熔化，形成液态硅。
然后，将单晶硅的小种子晶体浸入硅熔体中。
接下来，将种子晶体缓慢旋转并向上拉。硅熔体在向上拉动时凝固成固体硅柱，离开液面的硅原子有序排列，形成单晶硅柱。
（注意：拉动速度各不相同。最初，晶体以每分钟 6 毫米的速度拉动约 10 厘米，因为晶体结构因热冲击而不稳定，容易产生缺陷。10厘米后，拉动速度减慢，以确保更好的质量。
拉拔速度和温度控制极大地影响硅锭的质量。铸锭的直径越大，速度和温度控制需要越精确。
最后，拉出直径约30厘米、长度1至1.5米的圆柱形硅锭。这种硅锭称为晶锭，也称为硅锭。
第 3 步：晶圆切割。
拉出的硅锭被切掉头部和尾部，然后切成特定厚度的薄晶圆。
切割硅片的主流方法是使用多线锯，线材上有金刚石颗粒，将硅锭切割成多个段。这种方法效率高，材料损失低。
有时，也使用内圆锯。该锯具有镀金刚石的内部圆形刀片，可旋转以切片硅锭。内圆锯具有更高的切割精度和速度，适用于高质量的晶圆切割。
硅片易碎，因此切割过程需要非常小心地处理，严格控制温度和振动。切割液，无论是水基还是油基，都用于冷却、润滑和去除切割过程中产生的碎屑。
第 4 步：边缘研磨、抛光和清洁。
切割的硅片被称为"裸晶圆"，具有非常粗糙的表面和残留的切割液和碎屑。因此，它们需要经过边缘研磨、抛光、清洁等工艺，才能获得光滑、镜面般的表面。
边缘研磨是用研磨机完成的，以使晶圆的锋利边缘变圆。这降低了由于高纯度硅的脆性而导致的破损风险。
抛光是为了使晶圆表面光滑，使其平整并减少机械缺陷。
抛光后，将晶圆蚀刻在亚硝酸和乙酸的混合物中，以去除表面的任何微裂纹或损坏。然后在一系列超纯RO/DI水浴中清洗晶片，以确保其清洁度。
晶圆通过化学机械抛光（CMP）工艺进一步抛光。
在化学反应阶段，抛光液中的化学物质与晶圆材料发生反应，产生易于去除或软化材料表面的化合物。
在机械研磨阶段，抛光垫和抛光溶液中的磨料颗粒用于对晶圆表面进行机械研磨，去除化学反应阶段形成的化合物和其他杂质。
在CMP工艺中，首先将晶圆固定在抛光机的晶圆支架上。抛光溶液均匀分布在晶圆和抛光垫之间。然后机器施加适当的压力和转速来抛光晶圆。
CMP是芯片制造过程中常见的步骤（稍后会再次使用）。其核心目标是全局平面化，这意味着以纳米精度消除晶圆表面的高度差，例如不均匀的金属和介电层，为后续光刻工艺准备晶圆。
第 5 步：清洁。
抛光后，对晶圆进行彻底清洁，以去除任何残留的抛光液和磨料颗粒。
清洁通常涉及多个步骤，包括酸碱冲洗和超纯水冲洗。每个步骤还必须在洁净室环境中执行，以避免新的污染物附着在晶圆表面。
第 6 步：检查和分类。
抛光后的晶片，也称为抛光的晶片，最后用光学显微镜或其他检测设备进行检查，以确保晶片的表面平整度、材料去除、厚度和表面缺陷符合预期要求。
通过检验的晶圆将进入下一道工序，而不合格的晶圆将被返工或丢弃。
需要注意的是，在实际生产中，晶圆将具有平边（Flat）或缺口（Notch），以帮助在后续步骤中定位和晶体取向。此外，序列号将标记在晶圆的后边缘，以便进行材料跟踪。
- 关于晶圆的常见问题
现在晶圆准备工作已经完成，让我们回答一些关于晶圆的常见问题。
问题1：晶圆有多大？
成品晶圆有各种尺寸规格，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）和12英寸（300mm）。
其中，8英寸和12英寸晶圆是最常见的。
晶圆的厚度必须严格遵循 SEMI 规范等标准。例如，12英寸晶圆的厚度通常控制在775μm±20μm（0.775mm）的范围内。
晶圆越大，每片晶圆可以生产的芯片越多，每片成本就越低。
例如，使用8英寸和12英寸晶圆，在相同的工艺条件下，12英寸晶圆可以使用8英寸晶圆的两倍以上的表面积，其晶圆利用率比8英寸晶圆高出约2.5倍。
然而，晶圆越大，生产越难，需要更先进的技术、设备、材料和工艺。
12英寸晶圆在良率和难度之间取得了良好的平衡。
问题2：为什么晶圆是圆的？
首先，如前所述，从硅熔体中拉出的单晶是圆柱形的，因此切割后形成圆盘。
其次，圆柱形单晶硅锭更容易运输，减少因碰撞和碰撞造成的材料损失。
第三，圆形晶圆在制造过程中更容易均匀加热和冷却，减少热应力，提高晶体质量。
第四，制造圆形晶圆也有助于后续的芯片制造工艺。
第五，圆形晶圆在面积利用率方面具有优势。我们稍后会解释，许多芯片都是在晶圆上制造的。虽然芯片是方形的，但方形晶圆似乎更适合方形芯片（边缘没有浪费）。
然而，实际上，即使使用方形晶圆，有些边缘仍然无法使用。计算表明，圆形晶圆比方形晶圆产生的浪费更少。
问题3：晶圆必须由硅制成吗？
不一定。
硅并不是唯一可用于晶圆的材料。目前，半导体材料已经达到了第四代。
第一代半导体材料包括Si（硅）和Ge（锗）。第二代包括砷化镓（砷化镓）和InP（磷化铟）。第三代包括 GaN（氮化镓）和 SiC（碳化硅）。第四代包括AlN（氮化铝）、Ga2O3（氧化镓）和金刚石（C）。
然而，超过90%的芯片仍然使用半导体硅片作为衬底，因为它具有优异的半导体性能、丰富的储量和成熟的制造技术。