晶圆---简介

晶圆是制造IC的基本原料硅是由沙子所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将这些纯硅制成长硅晶棒，成为制造积体电路的石英半导体的材料，经过照相制版，研磨，抛光，切片等程序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。

我们会听到几寸的晶圆厂，如果硅晶圆的直径越大，代表著这座晶圆厂有较好的技术。

另外还有scaling技术可以将电晶体与导线的尺寸缩小，这两种方式都可以在一片晶圆上，制作出更多的硅晶粒，提高品质与降低成本。

所以这代表6寸、8寸、12寸晶圆当中，12寸晶圆有较高的产能。

当然，生产晶圆的过程当中，良品率是很重要的条件。

晶圆是指硅半导体积体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。

晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。

二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达0.99999999999。

晶圆制造厂再将此多晶硅融解，再于融液内掺入一小粒的硅晶体晶种，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗小晶粒在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。

硅晶棒再经过研磨，抛光，切片后，即成为积体电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

晶圆工艺晶圆的生产工艺流程从大的方面来讲，晶圆生产包括晶棒制造和晶片制造两大步骤，它又可细分为以下几道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属晶片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序）：晶棒成长-- 晶棒裁切与检测-- 外径研磨-- 切片-- 圆边-- 表层研磨-- 蚀刻-- 去疵-- 抛光-- 清洗-- 检验-- 包装1、晶棒成长工序：它又可细分为：1）、融化（Melt Down）：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420°C以上，使其完全融化。

2）、颈部成长（Neck Growth）：待硅融浆的温度稳定之后，将〈1.0.0〉方向的晶种慢慢插入其中，接着将晶种慢慢往上提升，使其直径缩小到一定尺寸（一般约6mm左右），维持此直径并拉长100-200mm，以消除晶种内的晶粒排列取向差异。

3）、晶冠成长（Crown Growth）：颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈部直径逐渐加大到所需尺寸（如5、6、8、12吋等）。

4）、晶体成长（Body Growth）：不断调整提升速度和融炼温度，维持固定的晶棒直径，只到晶棒长度达到预定值。

5）、尾部成长（Tail Growth）：当晶棒长度达到预定值后再逐渐加快提升速度并提高融炼温度，使晶棒直径逐渐变小，以避免因热应力造成排差和滑移等现象产生，最终使晶棒与液面完全分离。

到此即得到一根完整的晶棒。

2、晶棒裁切与检测（Cutting & Inspection）：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。

3、外径研磨（Surface Grinding & Shaping）：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外园柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。

4、切片（Wire Saw Slicing）：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将晶棒切割成一片片薄片。

5、圆边（Edge Profiling）：由于刚切下来的晶片外边缘很锋利，硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏晶片表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。

6、研磨（Lapping）：研磨的目的在于去掉切割时在晶片表面产生的锯痕和破损，使晶片表面达到所要求的光洁度。

7、蚀刻（Etching）：以化学蚀刻的方法，去掉经上几道工序加工后在晶片表面因加工应力而产生的一层损伤层。

8、去疵（Gettering）：用喷砂法将晶片上的瑕疵与缺陷感到下半层，以利于后序加工。

9、抛光（Polishing）：对晶片的边缘和表面进行抛光处理，一来进一步去掉附着在晶片上的微粒，二来获得极佳的表面平整度，以利于后面所要讲到的晶圆处理工序加工。

10、清洗（Cleaning）：将加工完成的晶片进行最后的彻底清洗、风干。

11、检验（Inspection）：进行最终全面的检验以保证产品最终达到规定的尺寸、形状、表面光洁度、平整度等技术指标。

12、包装（Packing）：将成品用柔性材料，分隔、包裹、装箱，准备发往以下的芯片制造车间或出厂发往订货客户。

作为计算机的核心组件，CPU（Central Processor Unit，中央处理器）在用户的心中一直是十分神秘的：在多数用户的心目中，它都只是一个名词缩写，他们甚至连它的全写都拚不出来；在一些硬件高手的眼里，CPU也至多是一块十余平方厘米，有很多脚的块块儿，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。

他们知道这块不到一平方厘米大的玩意儿是用多少微米工艺制成的，知道它集成了几亿几千万晶体管，但鲜有了解CPU的制造流程者。

今天，就让我们来详细的了解一下，CPU是怎样练成的。

基本材料多数人都知道，现代的CPU是使用硅材料制成的。

硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。

当然，CPU的制造过程中还要使用到一些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。

同时，制造CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。

制造CPU的另一种基本材料是金属。

金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。

铝是常用的金属材料之一，因为它廉价，而且性能不差。

而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太大，已经无法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。

所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从原有的地方迁出。

很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。

这也就是为什么超频者尝试对Northwood Pentium 4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性Northwood死亡综合症（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至牺牲的原因。

SNDS使得Intel第一次将铜互连（Copper Interconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。

铜互连技术能够明显的减少电迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。

不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。

种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流之选。

除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。

准备工作解决制造CPU的材料的问题之后，我们开始进入准备工作。

在准备工作的过程中，一些原料将要被加工，以便使其电气性能达到制造CPU的要求。

其一就是硅。

首先，它将被通过化学的方法提纯，纯到几乎没有任何杂质。

同时它还得被转化成硅晶体，从本质上和海滩上的沙子划清界限。

在这个过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。

这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。

如果你在高中时把硫酸铜结晶实验做的很好，或者看到过单晶冰糖是怎么制造的，相信这个过程不难理解。

同时你需要理解的是，很多固体物质都具有晶体结构，例如食盐。

CPU制造过程中的硅也是这样。

小心而缓慢的搅拌硅的熔浆，硅晶体包围着晶种向同一个方向生长。

最终，一块硅锭产生了。

现在的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在准备制造300毫米直径的硅锭。

在确保质量不变的前提下制造更大的硅锭难度显然更大，但CPU厂商的投资解决了这个技术难题。

建造一个生产300毫米直径硅锭的制造厂大约需要35亿美元，Intel将用其产出的硅材料制造更加复杂的CPU。

而建造一个相似的生产200毫米直径硅锭的制造厂只要15亿美元。

作为第一个吃螃蟹的人，Intel 显然需要付出更大的代价。

花两倍多的钱建造这样一个制造厂似乎很划不来，但从下文可以看出，这个投资是值得的。

硅锭的制造方法还有很多，上面介绍的只是其中一种，叫做CZ制造法。

硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。

晶圆才被真正用于CPU的制造。

一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。

接下来晶圆将被磨光，并被检查是否有变形或者其它问题。

在这里，质量检查直接决定着CPU的最终良品率，是极为重要的。

有问题的晶圆将被掺入适当的其它材料，用以在上面制造出各种晶体管。

掺入的材料沉积在硅原子之间的缝隙中。

目前普遍使用的晶体管制造技术叫做CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductors，互补式金属氧化物半导体）技术，相信这个词你经常见到。

简单的解释一下，CMOS中的C（Complementary）是指两种不同的MOS电路“N”电路和“P”电路之间的关系：它们是互补的。

在电子学中，“N”和“P”分别是Negative和Positive的缩写，用于表示极性。

可以简单的这么理解，在“N”型的基片上可以安装“P”井制造“P”型的晶体管，而在“P”型基片上则可以安装“N”井制造“N”型晶体管。

在多数情况下，制造厂向晶圆里掺入相关材料以制造“P”基片，因为在“P”基片上能够制造出具有更优良的性能，并且能有效的节省空间的“N”型晶体管；而这个过程中，制造厂会尽量避免产生“P”型晶体管。

接下来这块晶圆将被送入一个高温熔炉，当然这次我们不能再让它熔化了。

通过密切监控熔炉内的温度、压力和加热时间，晶圆的表面将被氧化成一层特定厚度的二氧化硅（SiO2），作为晶体管门电路的一部分—基片。

如果你学过逻辑电路之类的，你一定会很清楚门电路这个概念。

通过门电路，输入一定的电平将得到一定的输出电平，输出电平根据门电路的不同而有所差异。

电平的高低被形象的用0和1表示，这也就是计算机使用二进制的原因。

在Intel使用90纳米工艺制造的CPU中，这层门电路只有5个原子那么厚。