晶圆的所有秘密，所有芯片基础上的神奇晶圆

这里有晶圆，那里有晶圆：在我们专门讨论半导体的每一篇技术性文章中，这个术语都会出现在我们的行话中。从其英文翻译“wafer”来看，晶圆法语中是“切片”或“血小板”。从巨大的超纯硅锭上切下的薄晶圆，可以将其比作我们周围所有组件的“原始粘土”。因为如果没有这种具有独特电磁特性的基板，我们周围的芯片、传感器、屏幕和其他 LED 都无法看到光。所以是时候我们和你更详细地谈谈这个有趣的蛋糕了……

半导体材料切片

无论其化学成分如何——其行为的关键要素——任何晶圆用于先进半导体的可以定义为所谓的单晶“半导体”材料的板。这两个术语都很重要。半导体是可以或不可以通过电流的材料。这种根据情况导电或绝缘的特性对于电子元件来说是关键。正是这种通过电流（1）或不通过电流（0）的能力允许我们的芯片实现二进制行为。

单晶这个术语至关重要。尽管某些应用程序可能会使用晶圆,由于其结构是多晶的（如某些光伏板），我们的处理器世界需要高纯度的规则原子组织。规律性使得预测和控制芯片的最终行为成为可能。与含有不同化合物的结构相比，高纯度降低了电阻，从而促进电荷的移动。因此，制造商将在这种一种或多种化合物的切片上“雕刻”我们的芯片。第一个困难是知道使用什么材料。如果您是技术出版物的狂热读者，那么您无疑知道英特尔酷睿或苹果 M1 的王牌材料是什么：硅。

硅的统治地位

第一个现代晶体管由约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain) 在贝尔实验室于 1947 年设计，是在锗基板上设计的。锗原子直到 19 世纪末才被分离出来，是人类历史上最新的化合物。如果正如我们将要看到的那样，锗在半导体中仍然占有一席之地，那么世界上 95% 的半导体都是蚀刻在另一种材料上的：硅。

请注意 - 我们将再次讨论 - 如果硅提供了绝大多数半导体的基本核心，但其他半导体晶圆与其他材料存在。除了尚未消失的锗外，还有基于砷化镓（GaAs）、蓝宝石、磷化铟或氮化镓（GaN）等晶体的晶圆。这些材料中的每一种都具有适合特定用途（功率转换、LED 制造、光伏、光电等）的特性。但半导体材料领域的绝对王者是二氧化硅。去海滩时您可以在脚下找到它。是的，人们可以想象你可以从皮拉沙丘中收集沙子或破碎的酒杯来制作碎片，因为它们都是由二氧化硅组成的。然而，有一个因素会阻碍你：它们的杂质。

从宇宙中最好的石英到最纯净的二氧化硅

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

二氧化硅是地球上仅次于氧的第二重要化学元素，是沙子、石英以及我们热爱化学的地质学家朋友标记为硅酸盐的所有物质的主要成分。从窗玻璃到餐桌玻璃，家里到处都有它们。从那里到说你要用食堂玻璃制作威化饼，只有一步......不要采取。因为正如我们所看到的，材料晶圆一定很纯粹。

正如您将发现的那样，在我们的“正常”世界中，所要求的完美程度是无法比拟的。如果太阳能电池板等应用可以“满足”99.9999%的纯度指数（已经很疯狂了！），那么这个滋生地就不适合为我们的智能手机提供动力的几纳米处理器。为了生产它们，你必须走得更远。到目前为止，所显示的纯度令人震惊：制造商为处理器生产的硅纯度高达 99.999999999%（是的，这是小数点后的九个“9”，称为 11N 的纯度级别）(1)。地球上或宇宙其他地方都不存在的绝对水平。所以，你必须创建它。

要获得如此完美的品质，必须从世界上最好的石英砂矿床开始，例如昆士兰州弗拉特里角（澳大利亚），其中二氧化硅（SiO2，硅和氧的混合物）的纯度为 99.03%。如果这种地质“完美”对于 Core i7 来说还不够，它已经可以限制事后步骤的数量，每个步骤都会消耗大量的能量和化合物。这种能量是强热，它将使石英砂与石墨混合。该炉将使图中的碳从二氧化硅中提取氧气，形成 CO₂，第一提纯步骤，将形成冶金级多晶硅矿石。

一个坩埚和一个晶体

为了进一步提高纯度，制造商将使用这种矿石来制造超纯硅锭。如何 ？通过在受控环境中生长巨大的单晶。存在多种方法，例如浮区法，但后者虽然非常复杂并且允许非常高的纯度，但限制了最大尺寸晶圆在200毫米处。因此，被称为“直拉法”的方法被保留用于大规模生产，只有晶圆允许300毫米。

在外壳内，多晶硅将在石墨坩埚中被加热至 1,400°C。当严格保持在其熔点以上时，二氧化硅仍保持液态。在这个燃烧物质的顶部，一个小的单晶晶种将接触表面。晶锭将以与晶种接触的手臂自动上升的速度生长，即每小时几厘米。一点一点地形成一种香肠，其均匀性是通过臂和坩埚之间的反向旋转而实现的。这种旋转的逐渐结束将逐渐减小晶锭的尺寸，避免对晶体造成致命的过度热应力。

该过程完成后，将超纯硅锭从外壳中取出。这项任务是有风险的：任何冲击不仅会损害晶锭的晶体完整性，而且其质量也使其难以处理。对于最大的 300 mm 晶圆（称为 12 英寸），尺寸在 2.4 至 2.9 m 之间的原始硅锭重达 450 公斤！被切割成的锭晶圆它是如此复杂和令人着迷，以至于几周后就会出现一篇专门的文章！

晶圆种类繁多

如果我们专注于晶圆计算机芯片产业的“基础”，也就是说晶圆300 毫米的硅基板，您从本文一开始就知道这不是唯一可用的基板。因为种类繁多晶圆是巨大的。从性质（硅、锗、氮化镓等）到晶体结构（它们之间原子的排列和方向）、表面处理的类型和影响其化学性质的化学掺杂剂，目录参考数不胜数 - 是的,你也可以买晶圆处女或者在网上错过了！纯度水平也各不相同，如我们所见，用“N”表示。一块光伏硅片以6N/9N显示，也就是说高达数字9的九倍，即99.9999999%。对于半导体，根据其重要性，数量范围为 10N 到 13N。纯度高达 99.99999999999%。 100%礼貌的写作方式！

但两者之间也存在尺寸差异晶圆。随着铸锭制造工艺的改进，该行业能够增加铸锭的尺寸。晶圆。在大规模生产半导体的世界里晶圆是圆形的——光伏电池是方形的，看看你的太阳能电池板！ – 三种尺寸占主导地位：150 毫米、200 毫米和 300 毫米*。最后两个标准是体积最大的。这是有道理的，因为你可以在一个芯片上放置更多的芯片晶圆，我们越能提高最复杂芯片的产量。因此，近年来创建的大多数先进芯片工厂都集中在晶圆300毫米，2002年推出的标准。

如果说从 1972 年（76 毫米）到 2002 年（300 毫米），硅晶圆的尺寸每二十年翻一番，那么该行业目前不愿意跳上下一趟车。晶圆450毫米。2008 年标准化（英文链接），后者目前仍处于原型状态。出于财务原因，它的采用迫使新机器的开发（和购买！），以及英特尔、三星和这三大巨头之间的“政治”关系的原因。台积电，后者有点害怕其他两家的力量（英文链接）。但这是一个完全不同的故事。下次我们的将带我们去中心踏步机，这些“扫描仪”利用化学……和光来绘制我们的芯片。

*：事实上，大约有十种尺寸晶圆，范围从 25.4 毫米到 300 毫米。

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