晶圆

晶圆（Wafer）是半导体晶体圆形片的简称，其为圆柱状半导体晶体的薄切片，用于集成电路制程中作为载体基片，以及制造太阳能电池；由于其形状为圆形，故称为晶圆。最常见的是硅晶圆，另有氮化镓晶圆、碳化硅晶圆等；一般晶圆产量多为单晶硅圆片。

晶圆是最常用的半导体元件，按其直径分为3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸等规格，近来发展出12英寸甚至研发更大规格（14英寸、15英寸、16英寸、20英寸以上等）。晶圆越大，同一圆片上可生产的集成电路（integrated circuit, IC）就越多，可降低成本；但对材料技术和生产技术的要求更高，例如均匀度等等的问题，使得近年来晶圆不再追求更大，有些时候厂商会基于成本及良率等因素而停留在成熟的旧制程。一般认为硅晶圆的直径越大，代表着这座晶圆厂有更好的技术，在生产晶圆的过程当中，良品率是很重要的条件。

## 制造过程

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很简单的说，首先由普通硅砂拉制提炼，经过溶解、提纯、蒸馏一系列措施制成单晶硅棒，单晶硅棒经过切片、抛光之后，就得到了单晶硅圆片，也即单晶硅晶圆。

- 将二氧化硅矿石（石英砂）与焦炭混合后，经由电弧炉加热还原，即生成粗硅（纯度98%，冶金级）。SiO2 + C = Si + CO2 ↑
- 盐酸氯化并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅（SGS（semiconductor grade silicon) 9N纯度，EGS（electronic grade silicon）6N纯度），因在精密电子元件当中，硅晶圆需要有相当的纯度（99.999999999%），不然会产生缺陷。
- 晶圆制造厂再以柴可拉斯基法将此多晶硅熔解，再于溶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融熔态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。这根晶棒的直径，就是晶圆的直径。
- 硅晶棒再经过切片、研磨、抛光后，即成为积体电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”（wafer）。
- 晶圆经多次光罩处理，其中每一次的步骤包括感光剂涂布、曝光、显影、腐蚀、渗透、植入、蚀刻或蒸著等等，将其光罩上的电路复制到层层晶圆上，制成具有多层线路与元件的IC晶圆，再交由后段的测试、切割、封装厂，以制成实体的积体电路成品。一般来说，大晶圆（12吋）多是用来制作内存等技术层次较高的IC，而小晶圆（6吋）则多用来制作类比IC等技术层次较低之IC，8吋的话则都有。

从晶圆要加工成为产品需要专业精细的分工。

## 晶圆特性

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### 标准晶圆尺寸

#### 硅衬底

硅晶圆的直径种类多样，从25.4毫米（1英寸）到300毫米（11.8英寸）不等。半导体制造厂（俗称“晶圆厂”）的分类通常依据其可加工的晶圆直径。为了提升产量并降低成本，晶圆直径逐步扩大，目前最先进的晶圆厂使用300毫米晶圆，未来计划采用450毫米晶圆。英特尔、台积电与三星分别在推进450毫米“原型”晶圆厂的研发，尽管仍面临诸多技术挑战。

晶圆尺寸｜典型厚度｜引入年份 ｜单片晶圆重量｜每片晶圆上可切割的100mm2（10mm）芯片数量

1英寸（25.4毫米）｜1960

2英寸（50.8毫米）｜275 μm｜1969｜9

3英寸（76.2毫米）｜375 μm｜1972｜29

4英寸（101.6毫米）｜525 μm｜1976｜10克｜56

4.9英寸（125毫米）｜625 μm｜1981｜95

6英寸（150毫米）｜675 μm｜1983｜144

8英寸（200毫米）｜725 μm｜1992｜53克｜269

12英寸（300毫米）｜775 μm｜1999｜125克｜640

17.7英寸（450毫米，提案）｜925 μm｜342克｜1490

26.6英寸（675毫米，理论值）｜未知｜未知｜3427

使用非硅材料生长的晶圆，其厚度与同直径的硅晶圆可能不同。晶圆厚度取决于所用材料的机械强度；晶圆必须足够厚以在搬运过程中承受自身重量而不开裂。表中厚度反映的是该制程首次引入时的参数，未必适用于当今所有工艺。例如，IBM的BiCMOS7WL工艺使用的是8英寸晶圆，但厚度仅为200μm。晶圆重量随厚度增加而增加，并与直径的平方成正比。引入年份并不表示工厂会立即更换设备，实际上，许多工厂不会进行升级，而是通过新建生产线来部署新技术，从而导致旧有与新技术长期并存。

#### 氮化镓衬底

氮化镓（GaN）衬底晶圆通常有着自己独立的发展时间线，其发展速度远落后于硅衬底，但领先于其他类型衬底。全球首个由GaN制成的300毫米晶圆由英飞凌在2024年9月发布，这意味着在不久的将来，他们可能启用全球首座实现300毫米GaN晶圆商业产出的工厂。

#### 碳化硅衬底

与此同时，全球首个200毫米碳化硅（SiC）晶圆由意法半导体于2021年7月发布。截至2024年，尚不清楚200毫米SiC是否已进入量产阶段，目前商业化SiC晶圆的最大尺寸通常仍为150毫米。

#### 蓝宝石上硅

蓝宝石上的硅（SOS）不同于硅衬底，因为其衬底为蓝宝石，而上层为硅，外加外延层和掺杂材料可以是任意种类。截至2024年，商业生产中的SOS晶圆最大尺寸通常为150毫米。

#### 砷化镓衬底

截至2024年，砷化镓（GaAs）晶圆在商业生产中最大一般为150毫米。

#### 氮化铝衬底

氮化铝（AlN）晶圆在商业应用中通常为50毫米或2英寸，而100毫米或4英寸的晶圆则在由旭化成等晶圆供应商开发中，截至2024年。然而，某种晶圆即使已商品化，并不意味着已存在能在该晶圆上制造芯片的加工设备。实际上，这类设备通常会滞后于材料开发，直到有付费的终端客户需求出现。即使设备研发成功（通常需数年），晶圆厂还需要额外数年时间来掌握如何高效使用这些设备。

#### 晶圆尺寸的历史性增长

晶圆制造中的一个工艺步骤，如蚀刻，可以随着晶圆面积的增加而制造出更多芯片，而单位工艺步骤的成本增长通常慢于晶圆面积的增长。这便是推动晶圆尺寸增加的成本基础。从200毫米晶圆向300毫米晶圆的转换始于2000年代初，这一转变使得单位芯片的成本降低约30-40%。更大直径的晶圆可容纳更多芯片。

#### 光伏

截至2020年，中国正在逐步淘汰M1晶圆尺寸（156.75毫米）。多个非标准晶圆尺寸已经出现，目前正积极推动全面采用M10标准（182毫米）。与其他半导体制造过程一样，降低成本依然是尝试提升晶圆尺寸的主要推动力，尽管不同设备的制造流程存在差异。

## 著名晶圆厂商

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英特尔（Intel）等公司，自行设计并制造自己的IC晶圆，直至完成并行销其产品，即为垂直整合制造商（IDM）。而三星电子等，则兼有晶圆代工及自制业务。

### 晶圆基片制造

例如：环球晶（台湾股票代号：6488）、合晶（台湾股票代号：6182）、中美晶（台湾股票代号：5483），日本的信越化学、SUMCO（胜高），美国的Cree（科锐）。

### 晶圆代工

著名晶圆代工厂有台积电、安森美、联华电子、格罗方德（Global Foundries）及中芯国际等。

### 封装测试

日月光半导体、艾克尔国际科技等则为世界前二大晶圆产业后段的封装、测试厂商。

## 其他相关

### 多晶硅生产

主要制造多晶硅的大厂有：

Hemlock（美国）、MEMC（美国）、Wacker（德国）、REC（挪威）、东洋化工/OCI（韩国）、德山/Tokuyama（日本）和 协鑫集团/GCL（中国）。

### IC设计

仅从事IC设计的公司有美国的高通、辉达、AMD，台湾的威盛、联发科技等。

### 内存

南亚科技、瑞晶科技（现已并入美光科技，更名台湾美光内存）、Hynix、美光科技（Micron）等则专于内存产品。

### 生产设备

- 曝光机：艾司摩尔（ASML）、尼康（Nikon）、佳能（Canon）
- 其他：应用材料、东京威力科创