【半导体科普】晶圆代工是什么？一文看懂硅晶圆制作流程！

芯片是用来干嘛的？为什么日常生活中会用到芯片呢？芯片这么重要吗？ 晶圆又是什么呢？

在过去，需要将晶体管、二极管、电阻、电容等电子元件焊接成电路，并将这个能执行简单逻辑运算的电路装置在电子产品上，才能够让电子产品顺利运作，然而手工焊接不仅成本高且耗时，效果也不理想。后来德州仪器的工程师 – 杰克·基尔比，便想到如果能够事先设计好电路图，然后照电路图将所有电子元件整合在硅晶圆上，便能解决手工焊接的难题，而这就是全世界第一个“集成电路”也就是我们常听到的IC（Integrated Circuit）的由来。

集成电路发明后，技术也开始高速发展，一个芯片从原本仅能塞不到五个晶体管，到后来可以塞下数亿个晶体管。而晶体管缩得越小，除了更低的能耗、延迟以及更高的效能外，也让芯片随之缩小，电子产品也能越来越小。如今这些优点正反应在电子产品上，也让生活越来越方便。

晶圆代工是什么？

晶圆代工 （Foundry）是半导体产业的一种商业模式，指接受其他无厂半导体公司（Fabless）委托、专门从事晶圆成品的加工而制造集成电路，并不自行从事产品设计与后端销售。

01 晶圆代工流程一：硅晶圆生产

芯片最伟大的贡献，莫过于将原本仅能执行 0 和 1 的逻辑运算的晶体管，集合在一起形成具有强大处理能力的运算中枢，而连接这些晶体管的基板就是“硅”这个元素。

之所以会选择“硅”作为 IC 的主要原料，是因为硅在自然界中属于“半导体”，也就是导电性介于导体与绝缘体的存在，可以藉由加入杂质，来调整半导体的导电性，进而控制电流是否流通，达到信号切换的功能，换句话说就是让芯片能够顺利执行 0 和 1 的运算，从而能操控电子产品。

硅晶圆的制造流程简化来说就是将“硅”加工至可用来放置电子元件的“硅晶圆 ”

02 硅晶圆制作流程

纯化 : 硅的前身是石英砂，里面含有许多杂质，因此需要将其纯化，主要方式为将石英砂加入碳并加热还原成冶金级硅，随后将其丢入反应炉中与氯化氢以及氢气反应形成多晶硅。
拉晶 : 将多晶硅置入单晶炉中，透过加热处理、接入晶种（注1）后，就可以从中拉出半导体产业所需的“ 单晶硅柱”，上面会有可摆放晶体管的“硅晶格”，也因此硅晶柱的品质掌控对于晶圆厂 来说至关重要，拉晶的速度、温度的控制等等因素都有可能大大影响到最后的生产品质，而硅晶柱直径越大，拉晶也就越难。（注 2）

注1 : 这边的晶种指的是一小块单晶硅，透过将晶种与熔融物接触并冷却凝固，藉此形成大晶体，目的是让晶圆的原子排列能与晶种相同。

注2 : 单晶硅与多晶硅的区别 : 当硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核时，如果各个晶核的晶面取向相同，则称为单晶硅，如果晶面取向不同，则称为多晶硅，在电学性质表现上，单晶硅优于多晶硅，因此在半导体产业中多采用单晶硅作为主要原料。

到这为止，安置电子元件的基板 – 硅晶圆便完成了，而我们常在新闻中看到的 8寸晶圆厂、12寸晶圆厂，指的其实就是硅晶圆的直径，不过，为什么要特地分成 8寸、12寸呢？

8寸晶圆 vs 12寸晶圆

其实关键就在于“生产成本”。一片12寸晶圆的表面积是一片8寸晶圆的2.25倍，也就是说在相同良率下，12寸晶圆厂的生产效率会是8寸晶圆厂的2.25倍，因此只要两种晶圆尺寸的生产成本差距在2.25倍以下的话，生产12寸晶圆便会比生产8寸晶圆来的有优势，故生产12寸晶圆其实是较为先进的技术。

12寸晶圆厂生产效率较高，为什么还要保留 8寸厂？

前面提到，12寸晶圆厂的产量平均来说会是 8寸晶圆厂的两倍多，因此在产能满载的前提下，12寸厂比较符合成本效益，然而对于某些客户集中在利基市场的厂商来说，不见得有足够的出货量去支撑12寸厂带来的额外产能，因此对这些厂商来说，也就没必要花更多的资金投资技术门槛更高的 12寸厂了。

8寸晶圆供不应求？

前面提到，某些产品市场规模不大，因此透过 8寸或 6 寸晶圆厂来生产较有效率，相对的某些产品市场规模较大，因此产线通常都会分布在 12 寸晶圆厂。过去 12寸晶圆厂主要用于生产智能手机、笔记本电脑等有高性能运算需求的芯片，另一方面 6寸、8寸晶圆厂则是用于生产物联网、车用元件等运算能力要求度不高的芯片。

由于过去 12寸晶圆厂为市场主流，因此部分晶圆设备厂已经停止生产 8寸晶圆厂的设备，而直接盖新的 8寸厂又需要庞大着 5G 逐渐普及，物联网相关的芯片需求提升，因此 8寸晶圆市场近期才会供不应求。