半导体晶圆制造过程——从沙子到硅片.pdfVIP

半导体Wafer晶圆的制造流程图解

——从沙子到硅片

从一堆沙子，到一个精密的芯片，这中间究竟经历了什么环节，

各个环节又需要什么样的技术呢？

所谓“半导体”，是一种导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间

的物质总称。导体能导电，比如铁铜银等金属，绝缘体不导电，比如

橡胶。芯片的制作为什么要用半导体？因为半导体的导电与所加电场

方向有关，即它的导电是可以有方向性的。比如，给半导体两端加上

正电压，它可能就导电；反之，将它两端所加的电压极性反过来，就

不导电。而这种性能，可以做成“电子开关”。我们都听说过“计算机

做的都是二进制的0-1运算”，这种运算体现在物理层面就是指“高

低电位的变化”，高电位代表1，低电位代表0。高低电位在复杂的电

路设计下面可以实现复杂的转化，这样表现出来就好像是计算机在做

01运算。半导体的这种电学特性可以设计成电子开关，可以很好实现

高低电位的转化。

在自然界中，获取成本最低的半导体就是硅。而硅料的提取是熔

炼砂子。提到这里可能有朋友想到“光伏电池片用的也是硅片”。没

错，生产芯片和生产光伏电池片在硅片制作环节是非常相似的，都是

需要先熔炼取硅，然后做切割、研磨等工艺，因此，你可能会看到一

些光伏产业链的股票也伴有半导体概念，比如高测股份。

芯片用硅和光伏用硅最大的区别就在于纯度不同。在纯度方面，

光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为4N-6N之间（99.99%-99.9999%），

但是半导体用单晶硅片在9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）

左右，纯度要求最低是光伏单晶硅片的1000倍。在外观方面，半导

体用硅片在表面的平整度，光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求

高。

总结来说，砂子到硅片需要经过熔炼、切片、研磨、蚀刻、抛光

等过程，最终形成一片片的晶圆（所谓晶圆，就是圆形的高纯度硅片）。

硅料领域主要有TCL中环，切片领域主要有高测股份，抛光领

域主要有华特气体、鼎龙股份等。

好了，此时你得到了一片片处理好的高纯度硅片，接下来我们就

需要我们需要在晶圆上雕刻电路，形成能用的芯片。在下面的工艺流

程中，大致可以分为前端工艺、后端工艺和测封。

制造第一阶段：提炼硅锭

沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)

最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导

体制造产业的基础。

硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用

于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原

子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到

大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。单晶硅锭：整体基本呈圆柱

形，重约100千克，硅纯度99.9999％。

制造第二阶段：硅锭切割

硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆

(Wafer)。

晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可

以当镜子。事实上，所有的芯片公司自己并不生产这种晶圆，而是从

第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步

加工，比如现在主流的45nmHKMG(高K金属栅极)。

制造第三阶段：光刻

光刻胶(PhotoResist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上

去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶

铺的非常薄、非常平。

光刻胶(PhotoResist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上

去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶

铺的非常薄、非常平。

光刻：由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可

以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，

展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。

现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

制造第四阶段：光刻胶的使命

溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清

除后留下的图案和掩模上的一致。

蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻

胶保护着不应该蚀刻的部分。

清除