矽晶圓是什麼？8 吋、12 吋又代表什麼東西呢？

在半導體的新聞中，總是會提到以尺寸標示的晶圓廠，如 8 吋或是 12 吋晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什麼東西？其中 8 吋指的是什麼部分？要產出大尺寸的晶圓製造又有什麼難度呢？以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什麼。

何謂晶圓？

晶圓（wafer），是製造各式電腦晶片的基礎。我們可以將晶片製造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式晶片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩的基板。對晶片製造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構造，我們可將兩塊積木穩固的疊在一起，且不需使用膠水。晶片製造，也是以類似這樣的方式，將後續添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足後續製造所需的條件。

在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，採用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為純化以及拉晶，之後便能完成這樣的材料。

如何製造單晶的晶圓

純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化矽轉換成 98% 以上純度的矽。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是採用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對於晶片製造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。因此，將再進一步採用西門子製程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導體製程所需的高純度多晶矽。

▲ 矽柱製造流程（Source: Wikipedia）

接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶矽融化，形成液態的矽。之後，以單晶的矽種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至於為何需要單晶的矽種，是因為矽原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓後來的人該如何正確的排列，矽種便是重要的排頭，讓後來的原子知道該如何排隊。最後，待離開液面的矽原子凝固後，排列整齊的單晶矽柱便完成了。

▲ 單晶矽柱（Souse：Wikipedia）

然而，8 吋、12 吋又代表什麼東西呢？其實指的是晶柱，也就是上方圖片中長得像鉛筆筆桿部分的直徑。至於製造大尺寸晶圓又有什麼難度呢？如前面所說，晶柱的製作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉一邊成型。有製作過棉花糖的話，應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的，而拉晶的過程也是一樣，旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此，尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質 12 吋晶圓的難度就比 8 吋晶圓還來得高。

只是，一整條的矽柱並無法做成晶片製造的基板，為了產生一片一片的矽晶圓，接著需要以鑽石刀將矽晶柱橫向切成圓片，圓片再經由拋光便可形成晶片製造所需的矽晶圓。經過這麼多步驟，晶片基板的製造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是晶片製造。