晶圓的所有秘密，所有晶片基礎上的神奇晶圓

這裡有晶圓，那裡有晶圓：在我們專門討論半導體的每一篇技術文章中，這個術語都會出現在我們的行話中。從其英文翻譯「wafer」來看，晶圓法語中是“切片”或“血小板”。從巨大的超純矽錠上切下的薄晶圓，可以將其比作我們周圍所有組件的「原始黏土」。因為如果沒有這種具有獨特電磁特性的基板，我們周圍的晶片、感測器、螢幕和其他 LED 都無法看到光。所以是時候我們和你更詳細地談談這個有趣的蛋糕了…

半導體材料切片

無論其化學成分如何——其行為的關鍵要素——任何晶圓用於先進半導體的可以定義為所謂的單晶體“半導體”材料的板。這兩個術語都很重要。半導體是可以或不可以通過電流的材料。這種根據情況導電或絕緣的特性對於電子元件來說是關鍵。正是這種通過電流（1）或不通過電流（0）的能力允許我們的晶片實現二進制行為。

單晶這個術語至關重要。儘管某些應用程式可能會使用晶圓,由於其結構是多晶的（如某些光伏板），我們的處理器世界需要高純度的規則原子組織。規律性使得預測和控制晶片的最終行為成為可能。與含有不同化合物的結構相比，高純度降低了電阻，從而促進電荷的移動。因此，製造商將在這種一種或多種化合物的切片上「雕刻」我們的晶片。第一個困難是知道要使用什麼材料。如果您是技術出版物的狂熱讀者，那麼您無疑知道英特爾酷睿或蘋果 M1 的王牌材料是什麼：矽。

矽的統治地位

第一個現代電晶體由約翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃爾特·布拉頓 (Walter Brattain) 在貝爾實驗室於 1947 年設計，是在鍺基板上設計的。鍺原子直到 19 世紀末才被分離出來，是人類歷史上最新的化合物。如果正如我們將要看到的那樣，鍺在半導體中仍然佔有一席之地，那麼世界上 95% 的半導體都是蝕刻在另一種材料上的：矽。

請注意 - 我們將再次討論 - 如果矽提供了絕大多數半導體的基本核心，但其他半導體晶圓與其他材料存在。除了尚未消失的鍺外，還有基於砷化鎵（GaAs）、藍寶石、磷化銦或氮化鎵（GaN）等晶體的晶圓。這些材料中的每一種都具有適合特定用途（功率轉換、LED 製造、光伏、光電等）的特性。但半導體材料領域的絕對王者是二氧化矽。去海灘時您可以在腳下找到它。是的，人們可以想像你可以從皮拉沙丘中收集沙子或破碎的酒杯來製作碎片，因為它們都是由二氧化矽組成的。然而，有一個因素會阻礙你：它們的雜質。

從宇宙中最好的石英到最純淨的二氧化矽

https://www.youtube.com/watch?v=U1-9XTx_pqA

二氧化矽是地球上僅次於氧的第二重要化學元素，是沙子、石英以及我們熱愛化學的地質學家朋友標記為矽酸鹽的所有物質的主要成分。從窗玻璃到餐桌玻璃，家裡到處都有它們。從那裡到說你要用食堂玻璃製作威化餅，只有一步......不要採取。因為正如我們所看到的，材料晶圓一定很純粹。

正如您將發現的那樣，在我們的“正常”世界中，所要求的完美程度是無法比擬的。如果太陽能板等應用可以「滿足」99.9999%的純度指數（已經很瘋狂了！），那麼這個滋生地就不適合為我們的智慧型手機提供動力的幾奈米處理器。為了生產它們，你必須走得更遠。到目前為止，所顯示的純度令人震驚：製造商為處理器生產的矽純度高達 99.999999999%（是的，這是小數點後的九個“9”，稱為 11N 的純度等級）(1)。地球上或宇宙其他地方都不存在的絕對水準。所以，你必須創建它。

要獲得如此完美的品質，必須從世界上最好的石英砂礦床開始，例如昆士蘭州弗拉特里角（澳洲），其中二氧化矽（SiO2，矽和氧的混合物）的純度為 99.03%。如果這種地質「完美」對 Core i7 來說還不夠，它已經可以限制事後步驟的數量，每個步驟都會消耗大量的能量和化合物。這種能量是強熱，它將使石英砂與石墨混合。該爐將使圖中的碳從二氧化矽中提取氧氣，形成 CO₂，第一純化步驟，將形成冶金級多晶矽礦石。

一個坩堝和一個晶體

為了進一步提高純度，製造商將使用這種礦石來製造超純矽錠。如何 ？透過在受控環境中生長巨大的單晶。存在多種方法，例如浮區法，但後者雖然非常複雜並且允許非常高的純度，但限制了最大尺寸晶圓在200毫米處。因此，被稱為「直拉法」的方法被保留用於大規模生產，只有晶圓允許300毫米。

在外殼內，多晶矽將在石墨坩堝中加熱至 1,400°C。當嚴格保持在其熔點以上時，二氧化矽仍保持液態。在這個燃燒物質的頂部，一個小的單晶晶種將接觸表面。晶錠將以與晶種接觸的手臂自動上升的速度生長，即每小時幾公分。一點一點地形成一種香腸，其均勻性是透過手臂和坩堝之間的反向旋轉而實現的。這種旋轉的逐漸結束將逐漸減少晶錠的尺寸，避免對晶體造成致命的過度熱應力。

過程完成後，將超純矽錠從外殼中取出。這項任務是有風險的：任何衝擊不僅會損害晶錠的晶體完整性，而且其品質也使其難以處理。對於最大的 300 mm 晶圓（稱為 12 英吋），尺寸在 2.4 至 2.9 m 之間的原始矽錠重達 450 公斤！被切割成的錠晶圓它是如此複雜和令人著迷，以至於幾週後就會出現一篇專門的文章！

晶圓種類繁多

如果我們專注於晶圓電腦晶片產業的“基礎”，也就是說晶圓300 毫米的矽基板，您從本文一開始就知道這不是唯一可用的基板。因為種類繁多晶圓是巨大的。從性質（矽、鍺、氮化鎵等）到晶體結構（它們之間原子的排列和方向）、表面處理的類型和影響其化學性質的化學摻雜劑，目錄參考數不勝數 - 是的,你也可以買晶圓處女或是在網路上錯過了！純度水平也各不相同，如我們所見，用“N”表示。一塊光矽片以6N/9N顯示，也就是說高達數字9的九倍，即99.9999999%。對於半導體，根據其重要性，數量範圍為 10N 到 13N。純度高達 99.99999999999%。 100%禮貌的寫作方式！

但兩者之間也存在尺寸差異晶圓。隨著鑄錠製造流程的改進，該行業能夠增加鑄錠的尺寸。晶圓。在大規模生產半導體的世界裡晶圓是圓形的——光伏電池是方形的，看看你的太陽能電池板！ – 三種尺寸占主導地位：150 毫米、200 毫米和 300 毫米*。最後兩個標準是體積最大的。這是有道理的，因為你可以在一個晶片上放置更多的晶片晶圓，我們越能提高最複雜晶片的產量。因此，近年來創建的大多數先進晶片工廠都集中在晶圓300毫米，2002年推出的標準。

如果說從 1972 年（76 毫米）到 2002 年（300 毫米），矽晶圓的尺寸每二十年翻一番，那麼該行業目前不願意跳上下一趟車。晶圓450毫米。2008 年標準化（英文連結），後者目前仍處於原型狀態。出於財務原因，它的採用迫使新機器的開發（和購買！），以及英特爾、三星和這三大巨頭之間的「政治」關係的原因。台積電，後者有點害怕其他兩家的力量（英文連結）。但這是一個完全不同的故事。下次我們的將帶我們去中心踏步機，這些「掃描器」利用化學…和光來繪製我們的晶片。

*：事實上，大約有十種尺寸晶圓，範圍從 25.4 毫米到 300 毫米。

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