芯片 ，晶圆是何制人类科技的精华 ，也被称为现代工业皇冠上的造出明珠 。
芯片的晶圆基本组成是晶体管。晶体管的何制基本工作原理其实并不复杂 ，但在指甲盖那么小的造出面积里，塞入数以百亿级的晶圆晶体管，就让这件事情不再简单 ，何制甚至算得上是免费模板造出人类有史以来最复杂的工程 ，没有之一。晶圆
接下来这段时间 ，何制小枣君会通过一系列文章 ，造出专门介绍芯片的晶圆制造流程 。
今天这篇 ，何制先讲讲晶圆制造。造出
主要阶段和分工介绍晶圆之前，小枣君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 、模板下载晶圆制备 、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 ，服务器租用都不做 。这些企业 ，就属于Fabless企业 ，例如高通 、英伟达 、联发科 、（以前的）华为等 。
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 。
最著名的建站模板Foundry ，当然是我国台湾省的台积电 。中芯国际（SMIC） 、联华电子（UMC） 、华虹集团等，也属于Foundry 。
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” ，源码库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） 。高防服务器
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 。业界比较知名的OSAT玩家有：日月光（ASE） 、长电科技 、联合科技（UTAC）、Amkor等 。
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 。
全球具备这种能力的企业 ，不是太多 ，包括英特尔 、三星 、德州仪器 、意法半导体等 。
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 。
AMD曾经也是IDM，但后来改弦更张 ，也走轻资产的Fabless模式了 。它的晶圆厂被剥离出去后 ，摇身一变，成了全球前五的晶圆代工厂 ：格罗方德（GlobalFoundries） 。
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 。
高纯石英砂矿石
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）。
冶金级工业硅
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） 。
光伏板
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 。
之前介绍半导体发展简史的时候，小枣君给大家解释过单晶硅和多晶硅 。
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 。
规模庞大的单晶熔炉
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（呵呵 ，和“龟腚” 、“规定”同音） 。
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 。
金刚线锯
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 。
内圆锯
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好啦 ，晶圆已经制备完成了 。接下来 ，我们回答几个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 。
小尺寸晶圆
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。
关于晶圆制备 ，今天就介绍到这里 。
