矽晶圓怎麼做出來的？從沙子到一片拋光的晶圓

矽晶圓是這樣做出來的：先把沙子（矽砂）裡的二氧化矽還原成矽，提煉到非常純；再把它熔化，放進一小顆晶種，一邊轉、一邊慢慢往上拉，長成一根原子排得整整齊齊的圓柱，叫晶棒（ingot）。晶棒磨圓、切成薄片，再磨平、用藥液去掉切割留下的損傷、拋光到像鏡子，洗乾淨、檢查過，才裝盒送到晶圓廠。長出晶棒的那一段，業界叫「長晶」或「拉晶」。

這一篇只講晶圓本身怎麼來；進廠以後怎麼做成晶片，見「晶片是怎麼做出來的？」。

矽晶圓的製造流程有哪幾步？

大致分成九步，下面照順序講。

第 1 步：把沙子還原成矽

沙子和石英的主要成分是二氧化矽，矽和氧綁在一起，要先拆開。把石英塊和焦炭、木屑這類含碳的東西放進電弧爐，燒到大約兩千度，碳把氧搶走、變成一氧化碳跑掉，留下的就是矽。這樣得到的矽大約九成八、九成九純，叫冶金級矽；剩下的一、兩個百分點多半是鐵、鋁，拿來做晶片還差得遠。

第 2 步：提煉到非常純

把冶金級矽磨碎，跟氯化氫反應，變成常溫下是液體的三氯矽烷，像蒸餾酒那樣一再蒸餾，把雜質分開；再讓它在高溫下分解，矽一層一層長在加熱的細矽棒上，成為多晶矽：裡面是很多小晶體拼在一起、方向各不相同，但已經純到九個 9（99.9999999%）以上，雜質大約只剩十億分之一。要這麼純，是因為晶片故意加的硼、磷，少的地方大約一億個矽原子才放一個（見「半導體是什麼？」）；不要的雜質得比這少得多，否則導電就不準，金屬雜質還會讓電晶體漏電。

第 3 步：熔化，放進晶種，一邊轉一邊往上拉

最常用的長法叫柴可拉斯基法（CZ 法）：把多晶矽塊放進石英坩堝，在充滿氬氣的爐子裡加熱到一千四百多度熔化（矽的熔點大約 1,414 度）；要讓整根是 p 型或 n 型，就在熔湯裡加一點點硼或磷。再把一小塊單晶矽做的晶種垂下來碰一下液面，晶種和坩堝朝相反的方向慢慢轉，晶種一邊非常慢地往上拉。熔化的矽在晶種底下凝固時，會照著它的原子排法一層層接下去：晶種像隊伍的排頭，後面的原子都照著它站，所以整根都是同一塊晶體。

一開始先拉出細細的一小段「脖子」：晶種剛碰到滾燙的矽，受熱太急，原子會排錯；開頭拉得很細，排錯的地方會在這段跑到表面就沒了，不會帶進後面。接著放粗到要的直徑往上長，最後收細、離開液面。

拉得非常慢：大約一分鐘 1 毫米上下，一小時只長幾公分。一根可以長到大約兩公尺；照矽的密度算，30 公分粗、一公尺半長的晶棒就有兩百多公斤，光是往上拉就要一天左右。因為一直轉著長，截面自然是圓的（見「晶圓為什麼是圓的？」）。拉得太快、溫度不穩，原子來不及排好，就會長出排錯的地方，那一段可能就不能做晶片。

大部分的晶圓都這樣拉出來；另有一種不用坩堝的浮區法（FZ 法），更純但做不大，多用在功率元件。

第 4 步：切掉頭尾、磨外圓、做定位缺口

晶棒兩頭是尖的，先切掉；中間的粗細也有一點起伏，所以把外圍磨到剛好的直徑，12 吋就是 300 毫米（見「12 吋、8 吋晶圓是什麼意思？」）。接著量出原子排列的方向，在側邊磨出一道小溝，切成片後就是邊緣的小缺口（較小的晶圓是一段直邊），機台靠它把每一片轉到同一個角度。不先磨好，每片大小不一，放進機台就對不準，方向也分不出來。

第 5 步：切成薄片

很多條平行的細鋼線，帶著磨料（或鍍上鑽石）來回跑，晶棒壓上去，一次切成很多片，像切蛋器那樣。用細線，是因為鋸縫越窄，變成粉浪費掉的矽越少；每片也先切得比成品厚一點，留給後面磨掉。可是怎麼切，表面都會留下鋸痕，底下還有一層被撞亂的破壞層，這時還不能用。（晶片做好以後，把晶圓切成一顆顆，是另一回事，見「晶圓怎麼切成一顆顆晶片？」。）

第 6 步：磨圓邊、磨平、用藥液去掉損傷

先把邊緣磨圓：銳利的直角一碰就缺角，整片也容易從那裡裂開。再把兩面磨平，讓整片厚薄一致。最後泡進酸或鹼的藥液，溶掉鋸痕和研磨留下的破壞層；那一層肉眼看不到，原子卻已經亂了，留著不管，第 3 步排整齊的晶體，表面這一層就白費了。

第 7 步：拋光到像鏡子

把晶圓壓在旋轉的拋光墊上，滴上含有很細顆粒的研磨液：藥液讓表面變軟一點，顆粒再把它磨掉，一路拋到像鏡子，原理跟晶圓廠裡的 CMP 一樣。要這麼平，是因為之後印電路的曝光機，只在很淺的一段高度裡對得準焦；表面高低差一大，同一張圖就會有的地方清楚、有的地方糊（見「CMP 是什麼？」）。有的晶圓拋光後，表面還會再長一層整齊的矽，叫磊晶片（見「磊晶是什麼？」）。

第 8 步：清洗、檢查

拋光完，表面還沾著研磨液的顆粒和微量的金屬，要用藥液和超純水洗掉（見「晶圓清洗是什麼？」）。接著量厚度，量整片和每一小塊範圍平不平；再用雷射掃過整片：像鏡子的表面會把光照原路反射，碰到一顆微粒或一道刮痕，光才往旁邊散開，機器就記下一個點。一顆微粒落錯地方，就可能壞掉一顆晶片（見「無塵室有多乾淨？」），沒過的就不出貨。

第 9 步：裝進密封的盒子，送到晶圓廠

合格的晶圓裝進運送用的密封盒，12 吋用的是從正面開門的那種，一路擋住灰塵和碰撞。到了晶圓廠，再換進廠裡用的晶圓盒 FOUP（見「晶圓怎麼在廠裡移動？」），排上生產線，就是投片（見「投片是什麼？」）。

為什麼一定要用單晶？

單晶是整片的矽原子都朝同一個方向，排成整整齊齊的格子，像一整個房間照同一個方向貼好的地磚；多晶則像很多小塊各貼各的，塊和塊的交界對不上。電子在整齊的格子裡走得順，碰到交界會被卡住，交界附近也比較容易漏電。一顆晶片上可以有上億個電晶體，每一個都要表現得差不多，所以晶片要做在單晶上。

在 fab24hr 裡

fab24hr 裡沒有做晶圓的工廠，遊戲從晶圓進廠、準備投片開始。最接近的是主線「晶片的一生」第 1 章「12 片怎麼分」：投片的前一天，你是研發線的研發整合工程師，要在分片會議上決定虛構的助聽器晶片「螢火」第一批 12 片怎麼分。第 2 章「一站一站」的第 1 天就叫「投片」：12 片先在清洗機 WET-R1 洗過，再進爐管 FURN-R1；裝晶舟時，你要決定上、中、下各夾一片監控片，還是只在中間放一片。照遊戲的說明，監控片就是還沒做上任何圖案的空白矽片。

圖鑑「名詞」裡的「晶圓」，按「多知道一點」，也讀得到單晶矽怎麼拉出來。遊戲裡的公司、人物、晶片和機台編號都是虛構的；晶圓怎麼做，照公開的一般資料寫，有簡化。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。