晶圓

晶圓（Wafer）是半導體晶體圓形片的簡稱，其為圓柱狀半導體晶體的薄切片，用於積體電路製程中作為載體基片，以及製造太陽能電池；由於其形狀為圓形，故稱為晶圓。最常見的是矽晶圓，另有氮化鎵晶圓、碳化矽晶圓等；一般晶圓產量多為單晶矽圓片。

晶圓是最常用的半導體元件，按其直徑分為3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸等規格，近來發展出12英寸甚至研發更大規格（14英吋、15英吋、16英吋、20英吋以上等）。晶圓越大，同一圓片上可生產的積體電路（integrated circuit, IC）就越多，可降低成本；但對材料技術和生產技術的要求更高，例如均勻度等等的問題，使得近年來晶圓不再追求更大，有些時候廠商會基於成本及良率等因素而停留在成熟的舊製程。一般認為矽晶圓的直徑越大，代表著這座晶圓廠有更好的技術，在生產晶圓的過程當中，良品率是很重要的條件。

## 製造過程

很簡單的說，首先由普通矽砂拉製提煉，經過溶解、提純、蒸餾一系列措施製成單晶矽棒，單晶矽棒經過切片、拋光之後，就得到了單晶矽圓片，也即單晶矽晶圓。

- 將二氧化矽礦石（石英砂）與焦炭混合後，經由電弧爐加熱還原，即生成粗矽（純度98%，冶金級）。SiO2 + C = Si + CO2 ↑
- 鹽酸氯化並經蒸餾後，製成了高純度的多晶矽（SGS（semiconductor grade silicon) 9N純度，EGS（electronic grade silicon）6N純度），因在精密電子元件當中，矽晶圓需要有相當的純度（99.999999999%），不然會產生缺陷。
- 晶圓製造廠再以柴可拉斯基法將此多晶矽熔解，再於溶液內摻入一小粒的矽晶體晶種，然後將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶矽晶棒，由於矽晶棒是由一顆小晶粒在融熔態的矽原料中逐漸生成，此過程稱為「長晶」。這根晶棒的直徑，就是晶圓的直徑。
- 矽晶棒再經過切片、研磨、拋光後，即成為積體電路工廠的基本原料——矽晶圓片，這就是「晶圓」（wafer）。
- 晶圓經多次光罩處理，其中每一次的步驟包括感光劑塗佈、曝光、顯影、腐蝕、滲透、植入、蝕刻或蒸著等等，將其光罩上的電路複製到層層晶圓上，製成具有多層線路與元件的IC晶圓，再交由後段的測試、切割、封裝廠，以製成實體的積體電路成品。一般來說，大晶圓（12吋）多是用來製作記憶體等技術層次較高的IC，而小晶圓（6吋）則多用來製作類比IC等技術層次較低之IC，8吋的話則都有。

從晶圓要加工成為產品需要專業精細的分工。

## 晶圓特性

### 標準晶圓尺寸

#### 矽襯底

矽晶圓的直徑種類多樣，從25.4毫米（1英寸）到300毫米（11.8英寸）不等。半導體製造廠（俗稱「晶圓廠」）的分類通常依據其可加工的晶圓直徑。為了提升產量並降低成本，晶圓直徑逐步擴大，目前最先進的晶圓廠使用300毫米晶圓，未來計劃採用450毫米晶圓。英特爾、台積電與三星分別在推進450毫米「原型」晶圓廠的研發，儘管仍面臨諸多技術挑戰。

晶圓尺寸｜典型厚度｜引入年份｜單片晶圓重量｜每片晶圓上可切割的100mm2（10mm）晶片數量

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，理論值）｜未知｜未知｜3427

使用非矽材料生長的晶圓，其厚度與同直徑的矽晶圓可能不同。晶圓厚度取決於所用材料的機械強度；晶圓必須足夠厚以在搬運過程中承受自身重量而不開裂。表中厚度反映的是該製程首次引入時的參數，未必適用於當今所有工藝。例如，IBM的BiCMOS7WL工藝使用的是8英寸晶圓，但厚度僅為200μm。晶圓重量隨厚度增加而增加，並與直徑的平方成正比。引入年份並不表示工廠會立即更換設備，實際上，許多工廠不會進行升級，而是通過新建生產線來部署新技術，從而導致舊有與新技術長期並存。

#### 氮化鎵襯底

氮化鎵（GaN）襯底晶圓通常有著自己獨立的發展時間線，其發展速度遠落後於矽襯底，但領先於其他類型襯底。全球首個由GaN製成的300毫米晶圓由英飛凌在2024年9月發布，這意味著在不久的將來，他們可能啟用全球首座實現300毫米GaN晶圓商業產出的工廠。

#### 碳化矽襯底

與此同時，全球首個200毫米碳化矽（SiC）晶圓由意法半導體於2021年7月發布。截至2024年，尚不清楚200毫米SiC是否已進入量產階段，目前商業化SiC晶圓的最大尺寸通常仍為150毫米。

#### 藍寶石上矽

藍寶石上的矽（SOS）不同於矽襯底，因為其襯底為藍寶石，而上層為矽，外加外延層和摻雜材料可以是任意種類。截至2024年，商業生產中的SOS晶圓最大尺寸通常為150毫米。

#### 砷化鎵襯底

截至2024年，砷化鎵（GaAs）晶圓在商業生產中最大一般為150毫米。

#### 氮化鋁襯底

氮化鋁（AlN）晶圓在商業應用中通常為50毫米或2英寸，而100毫米或4英寸的晶圓則在由旭化成等晶圓供應商開發中，截至2024年。然而，某種晶圓即使已商品化，並不意味著已存在能在該晶圓上製造晶片的加工設備。實際上，這類設備通常會滯後於材料開發，直到有付費的終端客戶需求出現。即使設備研發成功（通常需數年），晶圓廠還需要額外數年時間來掌握如何高效使用這些設備。

#### 晶圓尺寸的歷史性增長

晶圓製造中的一個工藝步驟，如蝕刻，可以隨著晶圓面積的增加而製造出更多晶片，而單位工藝步驟的成本增長通常慢於晶圓面積的增長。這便是推動晶圓尺寸增加的成本基礎。從200毫米晶圓向300毫米晶圓的轉換始於2000年代初，這一轉變使得單位晶片的成本降低約30-40%。更大直徑的晶圓可容納更多晶片。

#### 光伏

截至2020年，中國正在逐步淘汰M1晶圓尺寸（156.75毫米）。多個非標準晶圓尺寸已經出現，目前正積極推動全面採用M10標準（182毫米）。與其他半導體製造過程一樣，降低成本依然是嘗試提升晶圓尺寸的主要推動力，儘管不同設備的製造流程存在差異。

## 著名晶圓廠商

英特爾（Intel）等公司，自行設計並製造自己的IC晶圓，直至完成並行銷其產品，即為垂直整合製造商（IDM）。而三星電子等，則兼有晶圓代工及自製業務。

### 晶圓基片製造

例如：環球晶（台灣股票代號：6488）、合晶（台灣股票代號：6182）、中美晶（台灣股票代號：5483），日本的信越化學、SUMCO（勝高），美國的Cree（科銳）。

### 晶圓代工

著名晶圓代工廠有台積電、安森美、聯華電子、格羅方德（Global Foundries）及中芯國際等。

### 封裝測試

日月光半導體、艾克爾國際科技等則為世界前二大晶圓產業後段的封裝、測試廠商。

## 其他相關

### 多晶矽生產

主要製造多晶矽的大廠有：

Hemlock（美國）、MEMC（美國）、Wacker（德國）、REC（挪威）、東洋化工/OCI（韓國）、德山/Tokuyama（日本）和 協鑫集團/GCL（中國）。

### IC設計

僅從事IC設計的公司有美國的高通、輝達、AMD，台灣的威盛、聯發科技等。

### 記憶體

南亞科技、瑞晶科技（現已併入美光科技，更名台灣美光記憶體）、Hynix、美光科技（Micron）等則專於記憶體產品。

### 生產設備

- 曝光機：艾司摩爾（ASML）、尼康（Nikon）、佳能（Canon）
- 其他：應用材料、東京威力科創