磊晶是什麼？晶圓上怎麼長出一層排得整整齊齊的矽

磊晶（英文 epitaxy，業界常簡稱 epi）是在晶圓上長一層新的晶體：新的原子照著底下晶圓的排列，一層一層往上排，長得跟底下一樣整整齊齊。最常見的是在矽晶圓上長一層矽，也可以長別的材料。英文的字來自希臘文，epi 是「在上面」，taxis 是「排列」。

「排得整齊」是什麼意思？

做晶片的晶圓是單晶矽：整片的矽原子照同一個方向，排成整整齊齊的格子（晶圓怎麼來，見「晶圓為什麼是圓的？」）。

想像一面用同一種磚砌的牆：最底下幾排砌得方方正正，後面每一排都照著下面的縫往上砌，整面牆就一樣整齊。磊晶就是這樣：晶圓是最底下那幾排，新來的原子照著它的格子往上接，長完以後跟晶圓接成同一塊晶體。

磊晶跟一般長膜差在哪？

晶片裡大部分的膜，原子不必照著底下排（一般的膜怎麼長，見「薄膜製程是什麼？」）：

	原子怎麼排	像什麼	例子
非晶	沒有固定的排法	一堆倒在地上的磚	二氧化矽、氮化矽這類絕緣層
多晶	很多小塊，每塊自己整齊，方向各不同	很多面小牆拼在一起，縫對不上	電晶體閘極常用的多晶矽
磊晶（單晶）	整層同一個方向，接著底下排	照著下面的縫一路往上砌	磊晶片上的那一層矽

同樣是矽，長在露出來的單晶矽上，條件對了就接著格子長成磊晶；長在氧化層上，底下沒有格子可以照，就變成多晶。磊晶最常見的作法，也是讓氣體在熱的晶圓表面起反應的化學氣相沉積（CVD），只是條件要配到原子來得及排好。

磊晶怎麼長？一步一步看

以在矽晶圓上長一層矽為例。

第 1 步：洗乾淨

• 做什麼：用藥液把表面的微粒、有機物和金屬洗掉，再沖水、弄乾（見「晶圓清洗是什麼？」）。
• 為什麼：新的原子照著表面最上面那一排接上去，表面就是樣板。
• 不這樣會怎樣：沾著東西的地方接不上，那裡就排錯；錯還會跟著往上長，像牆裡一塊歪掉的磚，上面照著砌的也一路歪到頂。

第 2 步：去掉自然氧化層

• 做什麼：矽碰到空氣和水，表面會自己長出一層只有幾層原子厚的氧化層。泡一下很稀的氫氟酸把它溶掉；送進機台後，常再在氫氣裡加熱一下，把剩下的一點也趕走。
• 為什麼：氧化層沒有排成格子，像在磚牆上抹了一層薄薄的水泥，新的原子看不到底下的縫。
• 不這樣會怎樣：長出來缺陷多很多，甚至排不整齊。所以洗完不能放太久，不然氧化層又長回來，這就是 Q-time。

第 3 步：送進腔體，加熱

• 做什麼：晶圓送進磊晶機台密閉的腔體，加熱到大約攝氏一千度上下，有的作法更高。
• 為什麼：原子落到表面以後，要夠熱才動得了，走一小段，找到跟下面接得上的位置。
• 不這樣會怎樣：太冷，原子落在哪裡就卡在哪裡，變成多晶甚至非晶。可是高溫會讓之前打進去的原子往旁邊跑（熱預算），所以有些步驟改用低一點的溫度。

第 4 步：通入含矽的氣體，一層一層長

• 做什麼：送進矽甲烷或含氯的矽化合物這類氣體，常用氫氣帶著（見「晶圓廠用哪些氣體？」）。氣體在熱的表面分解、留下矽原子，排滿一層再排下一層，常長到不到一微米到幾微米厚（一微米是千分之一公釐）。
• 為什麼：原子一顆一顆落下來，每一顆都有機會坐到跟下面對齊的位置。
• 不這樣會怎樣：溫度、氣體多少、長多久沒配好，厚度就不對，原子也來不及排整齊。

第 5 步：邊長邊摻雜

• 做什麼：同時混一點含磷或含硼的氣體。磷、硼跟著矽一起排進格子，這一層就變成 n 型或 p 型（見「摻雜是什麼？」）。
• 為什麼：這一層摻多少，可以跟底下的晶圓完全不一樣，例如底下摻很多、上面摻很少。
• 不這樣會怎樣：量偏了，上面做的開關就跟著偏；長進去的原子拿不出來，所以氣體的量要先調準。

第 6 步：量厚度、查缺陷

• 做什麼：量這一層多厚、摻得對不對，再用光掃整片，找微粒和排錯的地方（見「缺陷檢測是什麼？」）。厚度常用紅外光量：上下兩層摻得不一樣，紅外光在交界也會反射，從兩道反射算出厚度。
• 為什麼：電晶體就做在這一層上，它是整顆晶片的地基。
• 不這樣會怎樣：地基歪了，後面幾百道步驟都白做，可能好幾個月後量電性才發現。

為什麼要多長這一層？

• 給電晶體一層乾淨的矽：晶圓本身摻多少，整片都一樣；磊晶層可以長得更乾淨、缺陷更少，摻多少也能另外定。電晶體只做在最上面薄薄一層（見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」）。
• 功率元件：管大電壓、大電流的開關（充電器、電動車裡都有），很多是讓電從上面流到下面：底下是摻很多的晶圓，讓電好走；上面是一層摻得少、比較厚的磊晶層，關著時擋住高電壓。越厚、摻得越少，擋得住的電壓越高，通電時的電阻卻也越大。
• 別種材料：氮化鎵這類材料很難長成大塊晶體，多半長在矽、碳化矽或藍寶石的晶圓上，叫異質磊晶。兩種原子的間距不一樣，像兩種尺寸的磚硬疊在一起，交界容易出缺陷（見「新聞說的「第三代半導體」是什麼？」）。藍光、白光 LED 發光的那幾層，也是這樣長出來的。
• 最先進電晶體的源極和汲極：先進的電晶體常把源極、汲極先挖掉一點，再用磊晶長回去，長的是摻得很多的矽，或矽鍺這類材料，讓電流好走；這時只有露出矽的地方會長。

磊晶片是什麼？

帶著磊晶層的晶圓，叫磊晶片（epi wafer）。它看起來跟一般的晶圓一樣，整片不到一公釐厚，差別只在最上面薄薄的一層。有的晶圓買進來就已經長好；源極、汲極那種，則是晶圓廠做到那一步才長。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有磊晶的機台，也沒有磊晶片。最接近的是主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」：投片後第 1 天，你是研發整合工程師，帶著虛構的助聽器晶片「螢火」第一批 12 片，到研發線的清洗機 WET-R1 一槽一槽洗，最後泡一下稀氫氟酸，去掉自然氧化層、露出乾淨的矽。不過遊戲裡洗完是進爐管 FURN-R1 長一層墊底的氧化層，不是磊晶；第 2 天在薄膜機 CVD-R1 蓋的氮化矽，則是不必照著格子排的一般長膜。

「打工人的一天」也有長膜的位子：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」或「研發線」，左右滑到製程工程師或研發製程工程師，名字下面點「薄膜」。遊戲裡的公司、晶片、人物和機台編號都是虛構的；磊晶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。