半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基：晶圓是什么？

　　在半導(dǎo)體的新聞中，總是會(huì)提到以尺寸標(biāo)示的晶圓廠，如 8 寸或是 12 寸晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什么東西?其中 8 寸指的是什么部分?要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢?以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——“晶圓”到底是什么。

　　何謂晶圓?

　　晶圓(wafer)，是制造各式電腦晶片的基礎(chǔ)。我們可以將晶片制造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型(也就是各式晶片)。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會(huì)歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)晶片制造來說，這個(gè)基板就是接下來將描述的晶圓。

　　(Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

　　首先，先回想一下小時(shí)候在玩樂高積木時(shí)，積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物，藉由這個(gè)構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起，且不需使用膠水。晶片制造，也是以類似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續(xù)制造所需的條件。

　　在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性，可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產(chǎn)生這樣的材料呢，主要有二個(gè)步驟，分別為純化以及拉晶，之后便能完成這樣的材料。

　　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，將氧化矽轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的矽。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)于晶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矽。

　　▲ 矽柱制造流程(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矽融化，形成液態(tài)的矽。之后，以單晶的矽種(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矽種，是因?yàn)槲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，矽種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排隊(duì)。最后，待離開液面的矽原子凝固后，排列整齊的單晶矽柱便完成了。

　　▲ 單晶矽柱(Souse：Wikipedia)

　　然而，8 寸、12 寸又代表什么東西呢?其實(shí)指的是晶柱，也就是上方圖片中長(zhǎng)得像鉛筆筆桿部分的直徑。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，一整條的矽柱并無法做成晶片制造的基板，為了產(chǎn)生一片一片的矽晶圓，接著需要以鉆石刀將矽晶柱橫向切成圓片，圓片再經(jīng)由拋光便可形成晶片制造所需的矽晶圓。經(jīng)過這么多步驟，晶片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是晶片制造。至于該如何制作晶片呢?就待下一篇再解釋。