半导体产业的根基：晶圆是什么

在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如 8 寸或是 12 寸晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中 8 寸指的是什么部分？要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢？以下将逐步介绍半导体最重要的基础——“晶圆”到底是什么。

何谓晶圆？

晶圆（wafer），是制造各式电脑芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各 式芯片）。然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说，这个基板就 是接下来将描述的晶圆。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶 水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。

在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整 的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求。然而，该如何产生这样的材料呢，主要有二个步骤，分别为纯化以及拉晶，之后便能完成这样的材 料。

如何制造单晶的晶圆

纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方式，将氧化矽转换成 98% 以上纯度的矽。大部份的金属提炼，像是铁或铜等金属，皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是，98% 对于芯片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。

▲ 矽柱制造流程（Source: Wikipedia）

接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的矽。之后，以单晶的矽种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的 向上拉起。至于为何需要单晶的矽种，是因为矽原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，矽种便是重要的排头，让后来的原子知道该如 何排队。最后，待离开液面的矽原子凝固后，排列整齐的单晶矽柱便完成了。

▲ 单晶矽柱（Souse：Wikipedia）

然而，8 寸、12 寸又代表什么东西呢？其实指的是晶柱，也就是上方图片中长得像铅笔笔杆部分的直径。至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢？如前面所说，晶柱的制作过程就像是 在做棉花糖一样，一边旋转一边成型。有制作过棉花糖的话，应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的，而拉晶的过程也是一样，旋转拉起的速度以及温 度的控制都会影响到晶柱的品质。也因此，尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高，因此要做出高品质 12 寸晶圆的难度就比 8 寸晶圆还来得高。

只是，一整条的矽柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的矽晶圆，接着需要以钻石刀将矽晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造 所需的矽晶圆。经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆叠房子的步骤，也就是芯片制造。至于该如何制作芯片呢？就待下一篇再解释。