硅晶圓是什么？原來集成電路芯片這樣煉成（圖文） - 全文

　　在半導體的新聞中，總是會提到以尺寸標示的晶圓廠，如 8 寸或是 12 寸晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什么東西?其中 8 寸指的是什么部分?要產出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢?以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——“晶圓”到底是什么。

　　何謂晶圓?

　　晶圓(wafer)，是制造各式電腦晶片的基礎。我們可以將晶片制造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型(也就是各式晶片)。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩的基板。對晶片制造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

　　(Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

　　首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構造，我們可將兩塊積木穩固的疊在一起，且不需使用膠水。晶片制造，也是以類似這樣的方式，將后續添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續制造所需的條件。

　　在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為純化以及拉晶，之后便能完成這樣的材料。

　　如何制造單晶的晶圓

　　純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化矽轉換成 98% 以上純度的矽。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對于晶片制造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。因此，將再進一步采用西門子制程(Siemens process)作純化，如此，將獲得半導體制程所需的高純度多晶矽。

　　▲ 矽柱制造流程(Source: Wikipedia)

　　接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶矽融化，形成液態的矽。之后，以單晶的矽種(seed)和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的矽種，是因為矽原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列，矽種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排隊。最后，待離開液面的矽原子凝固后，排列整齊的單晶矽柱便完成了。

　　▲ 單晶矽柱(Souse：Wikipedia)

　　然而，8寸、12寸又代表什么東西呢?他指的是我們產生的晶柱，長得像鉛筆筆桿的部分，表面經過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢?如前面所說，晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉一邊成型。有制作過棉花糖的話，應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的，而拉晶的過程也是一樣，旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此，尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

　　只是，一整條的矽柱并無法做成晶片制造的基板，為了產生一片一片的矽晶圓，接著需要以鉆石刀將矽晶柱橫向切成圓片，圓片再經由拋光便可形成晶片制造所需的矽晶圓。經過這么多步驟，晶片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是晶片制造。

　　4.科普：芯片制造，層層打造的高科技工藝;

　　在介紹過矽晶圓是什么東西后，同時，也知道制造 IC 晶片就像是用樂高積木蓋房子一樣，藉由一層又一層的堆疊，創造自己所期望的造型。然而，蓋房子有相當多的步驟，IC 制造也是一樣，制造 IC 究竟有哪些步驟?本文將將就 IC 晶片制造的流程做介紹。

　　層層堆疊的晶片架構

　　在開始前，我們要先認識 IC 晶片是什么。IC，全名積體電路(Integrated Circuit)，由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖，從圖中可以看出它的結構就像房子的梁和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會將 IC 制造比擬成蓋房子。

　　▲ IC 晶片的 3D 剖面圖。(Source：Wikipedia)

　　從上圖中 IC 晶片的 3D 剖面圖來看，底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓，從這張圖可以更明確的知道，晶圓基板在晶片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分，則是于 IC 制作時要完成的地方。

　　首先，在這里可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳，是一棟房子的門戶，出入都由這里，在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此，和其他樓層相比，在興建時會比較復雜，需要較多的步驟。在 IC 電路中，這個大廳就是邏輯閘層，它是整顆 IC 中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 IC 晶片。

　　黃色的部分，則像是一般的樓層。和一樓相比，不會有太復雜的構造，而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的，是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這么多層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

　　分層施工，逐層架構

　　知道 IC 的構造后，接下來要介紹該如何制作。試想一下，如果要以油漆噴罐做精細作圖時，我們需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上。接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆干后，再將遮板拿開。不斷的重復這個步驟后，便可完成整齊且復雜的圖形。制造 IC 就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。