眾所周知，半導體作為最重要的產(chǎn)業(yè)之一，每年為全球貢獻近五千億美金的產(chǎn)值，可以毫不夸張的說(shuō)，半導體技術(shù)無(wú)處不在。俗話(huà)說(shuō)：巧婦難為無(wú)米之炊，硅晶圓作為制造半導體器件和芯片的基本材料，在產(chǎn)業(yè)中扮演著(zhù)舉足輕重的地位，硅是當今最重要、應用最廣泛的半導體材料。

硅是非常常見(jiàn)的物質(zhì)，如沙子里面就有二氧化硅，但沙子到硅晶體這可是個(gè)非常復雜的過(guò)程，如沙子要經(jīng)過(guò)提純、高溫整形再到旋轉拉伸……單晶硅是晶圓最初始的狀態(tài)，在實(shí)際應用中仍不行，還需要制造成晶圓，而且是要求很高的圓圓晶體。在實(shí)際的生產(chǎn)中，我們通常將二氧化硅還原成單晶硅，但是這個(gè)過(guò)程難度很高，因為實(shí)際用到的晶圓純度很高，要達到99.999%以上，常用的晶圓生產(chǎn)過(guò)程包括硅的純化、純硅制成硅晶棒、制造成電路的石英半導體材料、照相制版、硅材料研磨和拋光、多晶硅融解然后拉出單晶硅晶棒再到最后切割成一片薄薄的晶圓。

常見(jiàn)的硅晶圓生產(chǎn)流程

硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(cháng)、晶圓成型。

一、 硅提煉及提純

硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應得到冶金級硅，然后將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫反應，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。

二、 單晶硅生長(cháng)

（用直拉法制造晶圓的流程圖）

晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著(zhù)的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì )產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應。

為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著(zhù)多晶硅熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著(zhù)籽晶作反方向旋轉，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅會(huì )粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(cháng)上去。用直拉法生長(cháng)后，單晶棒將按適當的尺寸進(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。

晶圓制造廠(chǎng)把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。

三、晶圓成型

完成了上述兩道工藝， 硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠(chǎng)的基本原料——硅晶圓片，這就是“晶圓”。

在現實(shí)中，經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到人們講幾寸晶圓廠(chǎng)，它是說(shuō)生產(chǎn)單片晶圓的尺寸。一般情況下，硅晶圓直徑越大，代表晶圓廠(chǎng)技術(shù)實(shí)力越強，如中芯國際以12寸晶圓為主，臺積電的8寸晶圓等。為了將電晶體與導線(xiàn)尺寸縮小，可以將幾片晶圓制作在同一片晶圓上，制作出更多的硅晶粒，但是硅晶圓生產(chǎn)最關(guān)鍵的參數就是良品率，這是晶圓廠(chǎng)的核心技術(shù)參數，它與硅晶圓生產(chǎn)設備的質(zhì)量密不可分。

制造一顆硅晶圓需要的半導體設備

制作一顆硅晶圓需要的半導體設備大致有十個(gè)，它們分別是單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺、化學(xué)機械拋光機、光刻機、離子注入機、引線(xiàn)鍵合機、晶圓劃片機、晶圓減薄機，其實(shí)光刻機只是九牛一毛。

1、單晶爐

單晶爐是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生長(cháng)無(wú)錯位單晶硅的設備。在實(shí)際生產(chǎn)單晶硅過(guò)程中，它扮演著(zhù)控制硅晶體的溫度和質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

由于單晶直徑在生長(cháng)過(guò)程中可受到溫度、提拉速度與轉速、坩堝跟蹤速度、保護氣體流速等因素影響，其中生產(chǎn)的溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過(guò)檢測才能獲知，單晶爐主要控制的方面包括晶體直徑、硅功率控制、泄漏率和氬氣質(zhì)量等。

2、氣相外延爐

氣相外延爐主要是為硅的氣相外延生長(cháng)提供特定的工藝環(huán)境，實(shí)現在單晶上生長(cháng)與單晶晶相具有對應關(guān)系的薄層晶體。外延生長(cháng)是指在單晶襯底（基片）上生長(cháng)一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來(lái)的晶體向外延伸了一段，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長(cháng)一層薄的高阻外延層。

氣相外延爐能夠為單晶沉底實(shí)現功能化做基礎準備，氣相外延即化學(xué)氣相沉積的一種特殊工藝，其生長(cháng)薄層的晶體結構是單晶襯底的延續，而且與襯底的晶向保持對應的關(guān)系。

3、氧化爐

硅與含有氧化物質(zhì)的氣體，例如水汽和氧氣在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應，而在硅片表面產(chǎn)生一層致密的二氧化硅薄膜，這是硅平面技術(shù)中一項重要的工藝。氧化爐的主要功能是為硅等半導體材料進(jìn)行氧化處理，提供要求的氧化氛圍，實(shí)現半導體預期設計的氧化處理過(guò)程，是半導體加工過(guò)程的不可缺少的一個(gè)環(huán)節。

4、磁控濺射臺

磁控濺射是物理氣相沉積的一種，一般的濺射法可被用于制備半導體等材料，且具有設備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著(zhù)力強等優(yōu)點(diǎn)。在硅晶圓生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)二極濺射中一個(gè)平行于靶表面的封閉磁場(chǎng)，和靶表面上形成的正交電磁場(chǎng)，把二次電子束縛在靶表面特定區域，實(shí)現高離子密度和高能量的電離，把靶原子或分子高速率濺射沉積在基片上形成薄膜。

5、化學(xué)機械拋光機

一種進(jìn)行化學(xué)機械研磨的機器，在硅晶圓制造中，隨著(zhù)制程技術(shù)的升級、導線(xiàn)與柵極尺寸的縮小，光刻技術(shù)對晶圓表面的平坦程度的要求越來(lái)越高，IBM公司于1985年發(fā)展CMOS產(chǎn)品引入，并在1990年成功應用于64MB的DRAM生產(chǎn)中，1995年以后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展，大量應用于半導體產(chǎn)業(yè)。

化學(xué)機械研磨亦稱(chēng)為化學(xué)機械拋光，其原理是化學(xué)腐蝕作用和機械去除作用相結合的加工技術(shù)，是目前機械加工中唯一可以實(shí)現表面全局平坦化的技術(shù)。在實(shí)際制造中，它主要的作用是通過(guò)機械研磨和化學(xué)液體溶解“腐蝕”的綜合作用，對被研磨體（半導體）進(jìn)行研磨拋光。

6、光刻機

又名掩模對準曝光機、曝光系統、光刻系統等，常用的光刻機是掩膜對準光刻，一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結構臨時(shí)“復制”到硅片上的過(guò)程。

7、離子注入機

它是高壓小型加速器中的一種，應用數量最多。它是由離子源得到所需要的離子，經(jīng)過(guò)加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導體材料、大規模集成電路和器件的離子注入，還用于金屬材料表面改性和制膜等  。

在進(jìn)行硅生產(chǎn)工藝里面，需要用到離子注入機對半導體表面附近區域進(jìn)行摻雜，離子注入機是集成電路制造前工序中的關(guān)鍵設備，離子注入是對半導體表面附近區域進(jìn)行摻雜的技術(shù)目的是改變半導體的載流子濃度和導電類(lèi)型，離子注入與常規熱摻雜工藝相比可對注入劑量角度和深度等方面進(jìn)行精確的控制，克服了常規工藝的限制，降低了成本和功耗。

8、引線(xiàn)鍵合機

它的主要作用是把半導體芯片上的Pad與管腳上的Pad，用導電金屬線(xiàn)（金絲）鏈接起來(lái)。引線(xiàn)鍵合是一種使用細金屬線(xiàn)，利用熱、壓力、超聲波能量為使金屬引線(xiàn)與基板焊盤(pán)緊密焊合，實(shí)現芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通。在理想控制條件下，引線(xiàn)和基板間會(huì )發(fā)生電子共享或原子的相互擴散，從而使兩種金屬間實(shí)現原子量級上的鍵合。

9、晶圓劃片機

因為在制造硅晶圓的時(shí)候，往往是一整大片的晶圓，需要對它進(jìn)行劃片和處理，這時(shí)候晶圓劃片機的價(jià)值就體現出了。之所以晶圓需要變換尺寸，是為了制作更復雜的集成電路。

10、晶圓減薄機

在硅晶圓制造中，對晶片的尺寸精度、幾何精度、表面潔凈度以及表面微晶格結構提出很高要求，因此在幾百道工藝流程中，不可采用較薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工藝過(guò)程中傳遞、流片。晶圓減薄，是在制作集成電路中的晶圓體減小尺寸，為了制作更復雜的集成電路。在集成電路封裝前，需要對晶片背面多余的基體材料去除一定的厚度，這一工藝需要的裝備就是晶片減薄機。

當然了，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，硅晶圓制造需要的設備遠遠不止這些。之所以光刻機的關(guān)注度超越了其它半導體設備，這是由于它的技術(shù)難度是最高的，目前僅有荷蘭和美國等少數國家擁有核心技術(shù)。近年來(lái)，國內的企業(yè)不斷取得突破，在光刻機技術(shù)上也取得了不錯的成績(jì)，前不久，國產(chǎn)首臺超分辨光刻機被研制出來(lái)，一時(shí)間振奮了國人，隨著(zhù)中國自主研發(fā)的技術(shù)不斷取得進(jìn)步，未來(lái)中國自己生產(chǎn)的晶圓也將不斷問(wèn)世。