摘要：最常见的晶圆材料是单晶硅（占90%以上），人们经常说芯片是沙子做的，主要原因是沙子中含有大量硅元素（地壳中占比26.3%）。当然实际制作芯片时不会直接采用沙子做原料，而是会采用高丰度的石英砂。
叁：晶圆制备
晶圆（Wafer），是半导体产业的“地基材料”，通常为圆形，故称为“晶圆”。
晶圆
最常见的晶圆材料是单晶硅（占90%以上），人们经常说芯片是沙子做的，主要原因是沙子中含有大量硅元素（地壳中占比26.3%）。当然实际制作芯片时不会直接采用沙子做原料，而是会采用高丰度的石英砂。
逻辑芯片、存储芯片等一般采用硅基材料，但功率型芯片（如射频芯片、功率器件）一般会采用化合物半导体材料（如砷化镓、氮化镓、氧化镓、碳化硅等）。
半导体代际
晶圆尺寸以直径划分，包括多个规格：2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm）等。最常见规格是8英寸和12英寸，8英寸多用于成熟制程（如28nm以上），12英寸多用于主流先进制程（如 7nm、5nm）的首选，产能高且成本更低。更大尺寸（如18英寸）仍处于研发阶段，尚未大规模商用。
晶圆制备过程融合了材料科学、精密机械和化学工艺的顶尖技术。一片表面平整度达到原子级、纯度高达99.9999999%的硅晶圆，需要经历7个环节20余道精密工序才能完成。
1. 多晶硅提纯
1.1 碳热还原反应：将石英砂原料放入2000℃的电弧炉中（硅的熔点为1410℃），二氧化硅与与碳发生化学反应生成98%纯度的冶金级多晶硅（MG-Si，Metallurgical Grade Silicon）。此阶段每生产1吨硅需消耗1.2~1.4万度电，全球年产量约300万吨，中国占比达70%。
冶金级硅
1.2 西门子法提纯：将冶金级硅通过氯化反应转化为三氯硅烷（SiHCl₃），通过分级蒸馏提纯后，在1100℃的沉积炉中还原为电子级多晶硅（EG-Si，Electronic Grade Silicon）。这项由德国西门子1950年代发明的工艺，至今仍是主流技术，纯度要求达到9N级（99.9999999%），杂质含量需低于0.1ppb（十亿分之一）。只有电子级多晶硅才可应用于半导体芯片制造，全球电子级多晶硅市场由德国Wacker、美国Hemlock等企业主导，中国协鑫集团已实现技术突破。
电子级硅
1.3 流化床法提纯：美国REC公司开发的流化床反应器技术，可将能耗降低至西门子法的1/3，但产品纯度略低（7N-8N），叫太阳能级多晶硅（SG-Si，Solar Grade Silicon），主要用于光伏行业。
光伏板
2. 单晶硅生长
多晶硅，晶粒大、不规则、缺陷多，各种性能指标较差。单晶硅，具有完美的晶体结构，有非常好的性能，所以芯片制造基本都使用单晶硅。
单晶硅 vs 多晶硅
将多晶硅转化为单晶硅需要精确控制原子排列方向，目前主流工艺有两种：
直拉法（CZ法，Czochralski Method，即柴克拉夫斯基法）：占全球产量的90%，主要设备是单晶熔炉（控温精度±0.1℃），主要生产厂商是美国Kayex，中国晶盛机电已实现8英寸CZ炉国产化，12英寸设备正在验证中。该方法是在超纯石英坩埚中熔融高纯度的多晶硅，并在其中添加掺杂剂(通常是硼、磷、砷、锑)。将单晶的籽晶浸入熔融硅中，然后缓慢旋转并上啦，就能逐渐的拉出一个带有头锥和尾锥的柱状硅锭出来。这样的头锥和尾锥可防止热冲击引起的位错。直拉法长晶
区熔法（FZ法，Float Zone Method）：主要用于高阻值芯片，主要设备厂商是德国的PVA TePla。柱形的多晶硅锭放置在感应线圈上方，在无线磁场作用下，感应线圈加热并从线圈上方的多晶硅棒的下部熔融硅锭。电磁场强度大小可调节熔融硅通过感应线圈中部的小孔流下形成单晶硅（区熔法）。区熔法长晶
下面以直拉法为例展开介绍12寸晶圆详细工艺过程。
2.1 把电子级多晶硅放入单晶熔炉加热到1420℃，形成液态硅。
单晶熔炉
2.2 将一条细小的单晶硅作为引子（也叫硅种、籽晶），伸入硅溶液。接着，以0.3~1.5mm/分钟的速度缓慢旋转提拉，同时控制温度梯度，被拉出的硅溶液，因为温度梯度下降，会凝固成固态硅柱。在硅种的带领下，离开液面的硅原子凝固后都是有序排列的，也就变成了排列整齐的单晶硅柱。旋转拉起的速度以及温度的控制，对晶柱品质有很大的影响。硅柱尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高。
单晶硅生长过程
2.3 拉出一根直径300mm、长度1~1.5米的圆柱形单晶硅棒，就是晶棒，也叫做硅锭。
硅锭（晶棒）
3. 晶圆成型
拉出来的硅锭，需要截头去尾，切成一片片厚度均匀的晶圆片。
3.1 外径研磨：采用金刚石砂轮将硅锭直径控制在300±0.1mm。
3.2 切割：目前主流的切片方式有两种
线切割：采用带有金刚线（在0.1mm的钢丝上镀金刚石颗粒）的多线切割机，在切削液的辅助下，对硅锭进行多线切割，切割速度300~500mm/min，厚度偏差金刚线锯
内圆锯切割：内圆锯片为环形金属薄片（厚度约50~200μm），内边缘经过精密研磨形成切割刃，外圈固定在主轴上高速旋转（转速可达10,000~30,000转/分钟）。将硅锭固定在工作台上，锯片内缘切入材料，通过高速旋转产生的机械磨削力将硅锭切断或切片。切割时需持续注入冷却液（如去离子水混合研磨液），以冷却锯片、冲刷碎屑并提高切割精度。内圆锯切割适合小尺寸半导体晶圆。内圆锯
4. 晶圆研磨
切割后得到的硅片叫做“裸片”，即未经加工的“原料晶圆”。裸片的表面会比较粗糙，而且会有残留切割液和碎屑。因此，需要继续进行倒角、研磨、抛光等工艺，最终得到光滑如镜的“成品晶圆（Wafer）”。
4.1 倒角研磨：用成形砂轮打磨边缘，消除微裂纹，圆弧半径0.3~0.5mm，此步骤可降低后续工艺中的碎片率达70%。高纯度硅是一种脆性很高的材料，这样处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。
倒角
4.2 双面研磨：采用行星式研磨机，上下研磨盘反向旋转；使用氧化铝（Al₂O₃）或二氧化硅（SiO₂）研磨液；使得表面平整度
双面研磨
5. 化学机械抛光（CMP）
化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization/Polishing，简称CMP）用于实现晶圆表面的全局平坦化。它通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用，消除前道工序导致的表面起伏，确保后续纳米级工艺的精度。
CMP是化学作用与机械力学的精密结合：
化学腐蚀：抛光液中的氧化剂（如H₂O₂）与硅/金属表面反应，生成软化层（如SiO₂ >>水合硅凝胶）。机械去除：抛光垫在压力下旋转，通过磨料（如纳米SiO₂或CeO₂颗粒）刮除软化层。动态平衡：化学腐蚀与机械去除速率需精确匹配，避免过度腐蚀或残留。CMP工作原理
在CMP工艺中，首先将待抛光的晶圆固定在抛光机的晶圆夹具上。接着，抛光液被均匀地分配在晶圆和抛光垫之间。然后，抛光机通过施加适当的压力和旋转速度，对晶圆进行抛光。
CMP工艺过程
CMP大致可以拆分成3个阶段：
5.1 粗抛光：使用碱性胶体二氧化硅（粒径50~70nm）去除10~20μm表面损伤层，使表面粗糙度
5.2 精抛光：采用酸性硅溶胶（粒径20~30nm）让最终表面粗糙度
5.3 清洗：进行CA标准清洗（SC1/SC2）和兆声波清洗（频率800kHz-1MHz）。
CMP平坦化效果
目前美国Cabot、日本Fujimi垄断抛光液市场，中国安集科技已实现28nm工艺配套。抛光后的晶圆需在Class 1级（每立方米>0.1μm颗粒≤1个）超净环境中存储。
6. 质量检测
每片晶圆出厂前都需通过严格检测，使用光学显微镜或其他检测设备对抛光效果进行严格检查，确保晶圆的各项指标符合要求。对于检测不合格的晶圆，将进行返工或者废弃处理。晶圆的质量检测主要满足如下技术参数要求：
6.1 几何参数：
厚度测试仪（精度±0.1μm）平整度检测（激光干涉仪，分辨率0.01μm）弯曲度（Bow/Warp）6.2 电学参数：
四探针法测量电阻率（0.001-100Ω·cm）少子寿命测试（>100μs为合格）氧碳含量测定（FTIR光谱法）6.3 表面质量：
激光散射检测表面颗粒AFM原子力显微镜分析粗糙度X射线光电子能谱（XPS）检测表面污染美国KLA的检测设备占据80%市场份额，中国上海睿励正在突破12英寸检测技术。
7. 晶圆成品出厂
对于检测合格的晶圆，将进行分级包装和激光打标等工序，准备送往晶圆代工厂。
7.1 分级包装
Prime Grade（零缺陷，用于先进制程）Test Grade（允许局部缺陷，用于研发或成熟工艺）前开式晶圆盒
7.2 标签与追溯
晶圆激光打标
关联MES系统，记录全流程数据（生长参数、检测报告等）。7.3文件认证与出货
质量文档：
COC（Certificate of Conformance）：包含所有检测数据（如电阻率分布图、缺陷地图）RoHS/REACH合规声明：确保重金属（Pb、Cd）和PFAS等物质符合欧盟标准。7.4 运输准备
防震包装：充气缓冲袋+防静电铝箔袋，振动测试符合ISTA 3A标准温湿度控制：运输环境维持20~25℃、湿度40~60%RH（部分高阻晶圆需-10℃冷藏）至此，一片合格的晶圆（Wafer）才算生产出来，下一步就是送往晶圆代工厂，进行芯片制造。
来源：华茂
