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近年来，半导体行业一直处于风口浪尖上。关于芯片被“卡脖子”的话题已不再稀奇。造芯片有那么难吗？今天我们不妨先从芯片的基石晶圆说起。看似简单的晶圆，是如何制造出来的？

第一步、提取硅

首先，从制作晶圆的主要原材料“硅”说起。要知道，地球上第二丰富的元素就是硅，而沙子、石头里都含有硅。也就是说，其实制造芯片的原材料并不稀缺。当然，这仅仅只能说沙子可以造晶圆。

半导体作为精密器件，对于硅的纯度要求极高。因此，制造晶圆时，一般都选用硅含量相对较高的硅矿石（如石英砂岩）。这些材料的主要成分是二氧化硅，而制作晶圆需要单晶硅。所以需要把二氧化硅变成单晶硅。

硅矿石

1、去氧

由于二氧化硅中硅与氧的结合键很强、晶体结构稳定，因此想要通过化学反应从硅矿石提炼出硅，需要将其放入温度超过2000℃的电弧熔炉中将硅石熔化（熔点为1410℃），用碳或石墨使硅还原，制成纯度大约为98%-99%的冶金级单质硅。

硅石还原反应的化学方程式为：SiO2+2C（焦炭等）——→Si+2CO↑

这样得到的冶炼级工业硅，虽然仍含有少量的铁和铝等杂质，但已经是化工、冶金和建筑等行业的重要材料。（值得注意的是，中国就是主要的工业硅生产国，2022年产量325万吨，全球占比79.9%。）

2、工业硅的提纯

对于半导体行业而言，99%的纯度还远远不够，所以需要对工业硅的提纯。业界主流的做法是借助氯化氢（HCl）进行提纯，由于最早是西门子公司于1955年开发出来的，所以又称西门子法。

先将金属硅制成微细粉末，并溶于氯化氢（HCl）中，在大约300℃时会发生反应。由此合成三氯氢硅，（SiHCl3或称三氯硅烷）。三氯氢硅（沸点31.8℃）在常温下为无色透明的液体。

化学方程式为：Si+3HCl—→SiHCl3+H2↑ 　

在反应过程中，含于金属硅中的杂质将变成氯化物（AlCl3 、FeCl3等）。一般来说，金属氯化物的饱和蒸气压比单体金属要高一个数量级左右，在利用式的反应合成三氯氢硅的同时，含于金属硅中的金属杂质将变成氯化物从而蒸发掉。

3、还原固态硅

接下来则需要把高纯度的三氯氢硅再还原，形成固态硅。

预先准备好由电阻加热的多晶硅芯棒，在1100℃的高温环境中，通入氢气。在这个温度下，只有硅是固态，因此在硅芯棒的表面，会吸引更多的多晶硅，多晶硅锭逐渐变粗，形成纯度高达（11个9）99.999999999%的硅。

此时生产出来的硅还是多晶硅，晶体框架结构不均匀。这个阶段生产的多晶硅可以用于光伏行业，比如制作太阳能组件和电池板。（2022年，我国多晶硅产量85.7万吨，连续十二年位居世界首位，占全球产量的85.6%。）

多晶硅

第二步、制作单晶硅

至于芯片则需要结构更加均匀的单晶硅。所以第三步要把多晶硅变成单晶硅。目前，大部分半导体硅片采用直拉法（Cz法）生产，由柴可拉斯基于1916年发明。

具体的做法就是，把多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化（石英的熔点约1700℃，这里一般温度控制在略高于硅1410℃的溶点），再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。然后，需要转动籽晶并缓慢向上提升。

直拉法

不过，当籽晶插入熔晶时，受籽晶与熔晶的温度差的影响，可能会产生滑移、位错。所以需要引细缩颈消除位错。简单来说，就是先用高速提拉，拉出一段细颈，当细颈生长至足够长度（位错消失后），再降低拉速进行放肩（肩部夹角接近180°），正式开始拉大直径的硅，当晶体生长从直径放大到等径生长阶段，再提高拉速转肩。

此时凝固的硅棒就和晶种一样，是光滑的单晶硅，但也因细颈的存在会限制单根硅棒的重量，因此直径8英寸的硅棒一般拉6米长，12英寸的大棒一般就拉1米5。

同样的，在接近完成时也要注意调整拉速和温度，保证晶体不会出现位错现象。直到晶体生长完成，再将晶体直径慢慢缩小，到接近一尖点，再从熔晶液面全部提拉出来。

当然，除了提拉法之外，也还有其它制作单晶硅的办法，比如浮带法（Floating-zone process），即区熔法，在多晶体棒上套上环形加热器，制造出一个狭窄并可以平行移动的熔融区域，也就是把硅棒分段熔融再凝固。然后利用固相和液相的杂质差实现单晶硅的精炼和纯化。

浮带法

也就是这一步决定了晶圆的尺寸，按照需求选择相应工艺设备即可。当然，理论上，直径是越粗越好，因为单个晶圆面积越大，造出的芯片就越多，分摊下来的成本就越低，但同时工艺难度和设备费用也会直线上升。目前来看，市场上主流晶圆尺寸以8英寸（20.32cm）、12英寸（30.48cm）为主。

第三步、制作可用晶圆

到此步骤“沙子”已经变成可以制作芯片的材料了，接下来就进入到了芯片的前端生产，切硅晶圆片。当然切片本身就没那么简单，要经历滚磨、倒角、精研、背面粗糙，化学机械抛光（CMP）等等一系列操作，这些步骤的技术门槛也逐渐升高。也就是从这一阶段开始我国的产能占比和自主化程度逐渐下降。

目前排名全球前五的厂商分别是，日本信越化学，占据高达27%的市场份额，其次是日本胜高、中国台湾地区的环球晶圆、德国的世创（Siltronic）以及韩国的SK Siltron，合计占据近90%的市场份额。

硅锭

1、硅锭处理

接下来的第一步，需要对硅锭进行处理。首先，要将硅锭的头尾部切除，并对硅锭杂质浓度、尺寸进行检测。此外，由于直拉法无法精确的控制晶体生长，因此尺寸和圆度可能会存在偏差，且外圆柱面也凹凸不平，所以需对硅锭的表面进行修整与研磨。

这里需要用到滚膜机。具体步骤，就是将硅锭固定在机器上，让其缓慢滚动，用侧面的金刚石砂轮对棒身进行打磨，在此过程中，硅段与砂轮的剧烈摩擦会大量发热，因此还需要持续加水降温，直到获得一个完美的圆柱体。

另外，需要在硅锭侧面切割一个平槽（Flat）或V槽（Notch）。8英寸以下硅锭是平槽，8英寸（含）以上硅锭是V槽。Flat/Notch作用是定位及标明晶向。如12英寸晶圆规格要求Notch方向为晶向 <110>±1°。

晶圆V槽

2、切晶圆片

接下来进入第二步，切成晶圆片。传统的方法是内圆切割，是一种带有环形刀片的机器，优点是切割稳定，切面较平整，但缺点也很明显，效率低，一次只能切一片，耗损多。因此，现在换成了多线切割机，也就是用机器上固定的金刚石颗粒钢丝线，同时对硅段进行多段切割。这种线切法虽然不如传统刀片稳定，后续硅片打磨的时间也更长，但胜在切割效率高，损耗低，能更快提升产能。

3、打磨（背面处理）

切下来的硅片会先经过一遍机械打磨，让表面更加平整，同时让整体变薄。比如12英寸的硅片通过磨片，会将厚度减到775微米左右。某些硅片还要做背面损伤，比如在背面喷砂或者沉积一层多晶硅，这样做是故意在底部制造大量晶体缺陷作为陷阱，把后续工艺中不想要的金属杂质困在底层，从而保护上层的器件。

背面处理

4、边缘倒角

此时，初步的晶圆硅片就形成了，接下来就需要对硅片细节进行处理了。首先，需要用倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形。因为此时切割成的硅片会有锐利边缘，比如有棱角、毛刺、崩边，小裂缝或其它缺陷等，此举是为了降低边缘处发生崩裂的风险，以及避免对后续如光刻、沉积等工序带来影响。

5、蚀刻

硅片边缘处理好后，下一步，需要对晶圆表面进行蚀刻处理。首先，需要去除之前打磨过程中硅片积累的机械损伤以及混入硅片表层的磨料。通常会使用氢硝酸和氢氟酸腐蚀这些化学溶液蚀掉表面约20-50微米左右的厚度。

6、抛光

到此，硅片表面已经很光滑了，但用来制造芯片，它还不够光滑。因为在之后的工序中，需要光刻机把图形投影到硅片上，不能有丝毫起伏的倾角或者局部的凹凸。所以要抛光，这一步骤将使用化学机械抛光（CMP）。这也是半导体晶片表面加工的关键技术之一。

同时，CMP技术也是芯片制造过程中一个极其复杂的流程，所采用的设备及消耗品非常多，包括CMP设备，研浆、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、研浆分布系统、废物处理和测量设备等。

具体来看，在晶圆抛光过程中，需要采用超细浆料（颗粒直径10~100 nm ，由Al2O3、SiO2或CeO2组成），结合压力、侵蚀、机械和化学方法，对两个旋转垫片之间的晶圆表面进行抛光处理，获得极佳的表面平整度。

抛光机

7、清洗、检测

然后，再用超纯化学品彻底清洗晶圆，去除CMP工序中残留的污染物。而硅片清洗以及CMP也是之后制造芯片过程中需要不断重复的重要工序。至此，就得到了一片原始的晶圆。

最后，厂商需要对制作好的晶圆进行检测，确保尺寸、形状、光洁度、氧含量、金属残余量等符合指标，达标后，即可放在充满氮气的密封盒里送往晶圆厂进行芯片的制作了。

原始晶圆片

国产晶圆制造难点

在上述晶圆制造步骤中，对于国内厂商来说，设备是最难攻克的技术，从硅片的切割开始，逐渐被“卡脖子”了。比如倒角机主要来自日本的东京精密和大途电子，多线切割机主要来自日本NTC以及瑞士SlicingTech，这些设备虽然能找到国产替代，但质量和精度往往差距较大，尤其是关键步骤的CMP物料部分，如抛光垫和研磨液尚能国产，但设备本身目前依赖进口。

此外，由于半导体硅片属于上游市场，规模不大，利润不高，但是投入成本却十分高昂，这也限制了该行业的发展。

目前，大陆仅有少数企业能够实现批量生产半导体硅片，主力有立昂微、沪硅产业、中晶科技、中环股份等。根据SEMI统计数据，截至2022年，我国8英寸半导体硅片产能在208万片/月以上，12英寸半导体硅片产能在90万片/月以上。

虽然我国硅片事业起步比较晚，在硬件和技术上有很多短板需要补足。但最近几年，硅片规模以及国产化程度也在一直在提高，关键的CMP设备国内也在积极研发。要想不被“卡脖子”，还需要国家、企业，更多从业者坚持不懈的共同努力。并且硅片也只是芯片制造的第一道关，国产芯片之路，绝非一朝一夕。

此外，由于半导体产业的复杂性，决定了它无法单凭一个国家之力就能完成整条产业链。对于半导体产业来说，更需要的是相互配合，各取所长。我们能做的就是不断提高在关键领域的国产化率，才能减少被“卡脖子”的可能性。