在(zai)半(ban)導體(ti)的新聞中(zhong)，總是(shi)(shi)會(hui)提到(dao)以尺寸(cun)標(biao)示的晶(jing)(jing)圓(yuan)廠(chang)，如(ru) 8 寸(cun)或是(shi)(shi) 12 寸(cun)晶(jing)(jing)圓(yuan)廠(chang)，然而，所謂的晶(jing)(jing)圓(yuan)到(dao)底是(shi)(shi)什(shen)么東(dong)西？其中(zhong) 8 寸(cun)指的是(shi)(shi)什(shen)么部(bu)分？要產出大尺寸(cun)的晶(jing)(jing)圓(yuan)制造(zao)又(you)有什(shen)么難度(du)呢？以下將逐步介紹半(ban)導體(ti)重要的基(ji)礎——“晶(jing)(jing)圓(yuan)”到(dao)底是(shi)(shi)什(shen)么。
何謂晶圓？
晶圓（wafer），是制(zhi)造(zao)各(ge)式計算(suan)機芯(xin)片(pian)的(de)基礎(chu)。我(wo)們可(ke)以將(jiang)芯(xin)片(pian)制(zhi)造(zao)比擬成用(yong)樂高積木蓋(gai)房(fang)子(zi)(zi)，藉(jie)由一(yi)(yi)層(ceng)又一(yi)(yi)層(ceng)的(de)堆棧，完成自(zi)己(ji)期望(wang)的(de)造(zao)型（也就是各(ge)式芯(xin)片(pian)）。然而，如(ru)果沒(mei)有良好(hao)(hao)的(de)地基，蓋(gai)出(chu)(chu)來的(de)房(fang)子(zi)(zi)就會歪來歪去，不合自(zi)己(ji)所意，為了做(zuo)出(chu)(chu)好(hao)(hao)的(de)房(fang)子(zi)(zi)，便需要一(yi)(yi)個平(ping)穩的(de)基板(ban)。對芯(xin)片(pian)制(zhi)造(zao)來說，這個基板(ban)就是接下(xia)來將(jiang)描述的(de)晶圓。
首先，先回想一(yi)下小時候在(zai)玩樂高積木(mu)時，積木(mu)的(de)(de)(de)表面都會有一(yi)個(ge)一(yi)個(ge)小小圓型的(de)(de)(de)凸出物，藉由這(zhe)個(ge)構造，我們(men)可將兩塊(kuai)積木(mu)穩固的(de)(de)(de)迭在(zai)一(yi)起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這(zhe)樣的(de)(de)(de)方式(shi)，將后續(xu)添加的(de)(de)(de)原子和基板固定在(zai)一(yi)起。因此(ci)，我們(men)需要(yao)尋(xun)找表面整齊的(de)(de)(de)基板，以滿足后續(xu)制造所需的(de)(de)(de)條件(jian)。
在固體(ti)材(cai)料中，有(you)一(yi)種特(te)殊的晶(jing)體(ti)結構──單(dan)晶(jing)（Monocrystalline）。它(ta)具有(you)原(yuan)子(zi)一(yi)個(ge)接著一(yi)個(ge)緊密排列在一(yi)起的特(te)性，可(ke)以形成一(yi)個(ge)平整(zheng)的原(yuan)子(zi)表層。因此，采用單(dan)晶(jing)做成晶(jing)圓，便(bian)可(ke)以滿(man)足(zu)以上(shang)的需求(qiu)。然而，該如何產(chan)生這(zhe)樣(yang)的材(cai)料呢，主(zhu)要有(you)二個(ge)步驟，分別為純(chun)化以及拉(la)晶(jing)，之后便(bian)能(neng)完(wan)成這(zhe)樣(yang)的材(cai)料。
如何制造單晶(jing)的晶(jing)圓
純化(hua)(hua)分成兩個階段，第一步是冶金(jin)級(ji)純化(hua)(hua)，此(ci)(ci)一過程主要是加入(ru)碳，以氧化(hua)(hua)還原的(de)方式(shi)，將(jiang)(jiang)氧化(hua)(hua)硅轉(zhuan)換(huan)成 98% 以上純度(du)的(de)硅。大部份的(de)金(jin)屬(shu)提煉，像是鐵或銅等金(jin)屬(shu)，皆是采用(yong)這樣的(de)方式(shi)獲得足夠(gou)純度(du)的(de)金(jin)屬(shu)。但是，98% 對于(yu)芯片(pian)制(zhi)造(zao)來說(shuo)依舊不夠(gou)，仍需(xu)要進一步提升。因此(ci)(ci)，將(jiang)(jiang)再進一步采用(yong)西(xi)門(men)子制(zhi)程（Siemens process）作純化(hua)(hua)，如此(ci)(ci)，將(jiang)(jiang)獲得半導(dao)體制(zhi)程所需(xu)的(de)高純度(du)多晶硅。
接(jie)著，就是拉晶(jing)的(de)(de)(de)(de)步驟。首先，將(jiang)前面所獲得的(de)(de)(de)(de)高純度多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)融化，形(xing)成液(ye)態的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)。之后(hou)(hou)(hou)，以單(dan)晶(jing)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)種(zhong)（seed）和液(ye)體(ti)表面接(jie)觸，一(yi)邊旋轉一(yi)邊緩慢的(de)(de)(de)(de)向上拉起。至于為何需(xu)要單(dan)晶(jing)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)種(zhong)，是因為硅(gui)(gui)(gui)原子(zi)(zi)排列(lie)就和人(ren)排隊(dui)一(yi)樣，會需(xu)要排頭(tou)讓(rang)后(hou)(hou)(hou)來的(de)(de)(de)(de)人(ren)該如何正確的(de)(de)(de)(de)排列(lie)，硅(gui)(gui)(gui)種(zhong)便(bian)是重要的(de)(de)(de)(de)排頭(tou)，讓(rang)后(hou)(hou)(hou)來的(de)(de)(de)(de)原子(zi)(zi)知道該如何排隊(dui)。最(zui)后(hou)(hou)(hou)，待離(li)開液(ye)面的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)原子(zi)(zi)凝固后(hou)(hou)(hou)，排列(lie)整齊的(de)(de)(de)(de)單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)柱便(bian)完(wan)成了(le)。
然(ran)而(er)，8寸(cun)、12寸(cun)又代表(biao)什么東西呢？他(ta)指的(de)(de)是我們產生(sheng)的(de)(de)晶柱，長得像(xiang)鉛筆(bi)(bi)筆(bi)(bi)桿的(de)(de)部(bu)分，表(biao)面經過處理(li)并(bing)切成(cheng)薄圓(yuan)片后的(de)(de)直徑。至于制造(zao)大(da)尺寸(cun)晶圓(yuan)又有(you)什么難(nan)度呢？如前面所(suo)說(shuo)，晶柱的(de)(de)制作過程就像(xiang)是在做棉(mian)花(hua)糖一樣(yang)，一邊旋(xuan)轉一邊成(cheng)型。有(you)制作過棉(mian)花(hua)糖的(de)(de)話，應(ying)該都知道要(yao)做出大(da)而(er)且(qie)扎實的(de)(de)棉(mian)花(hua)糖是相當困(kun)難(nan)的(de)(de)，而(er)拉(la)晶的(de)(de)過程也(ye)是一樣(yang)，旋(xuan)轉拉(la)起的(de)(de)速(su)度以及(ji)溫度的(de)(de)控制都會影(ying)響(xiang)到晶柱的(de)(de)質量。也(ye)因(yin)此，尺寸(cun)愈大(da)時，拉(la)晶對速(su)度與溫度的(de)(de)要(yao)求(qiu)就更高，因(yin)此要(yao)做出高質量 12 寸(cun)晶圓(yuan)的(de)(de)難(nan)度就比 8 寸(cun)晶圓(yuan)還來得高。
只是(shi)，一(yi)整條的硅柱并無法做成(cheng)芯(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)的基(ji)板(ban)，為(wei)了產(chan)生一(yi)片(pian)一(yi)片(pian)的硅晶(jing)圓，接著需(xu)要以鉆石(shi)刀將硅晶(jing)柱橫向切(qie)成(cheng)圓片(pian)，圓片(pian)再(zai)經由拋光便可形成(cheng)芯(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)所需(xu)的硅晶(jing)圓。經過這么多步(bu)(bu)驟(zou)，芯(xin)片(pian)基(ji)板(ban)的制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)便大功告成(cheng)，下一(yi)步(bu)(bu)便是(shi)堆棧房子的步(bu)(bu)驟(zou)，也就是(shi)芯(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)。
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