晶圓為何能成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

11月2日凌晨，一則來自安世半導(dǎo)體（Nexperia）中國公司的公告函在科技圈引發(fā)關(guān)注。公告直指其荷蘭母公司單方面決定，停止向東莞的封裝測(cè)試工廠供應(yīng)“晶圓”。這一“左手?jǐn)喙┯沂帧钡钠嫣夭僮?，瞬間將一個(gè)高度專業(yè)的名詞——“晶圓”推到了聚光燈下。

在半導(dǎo)體這條產(chǎn)業(yè)中，“晶圓”究竟扮演著什么角色？它為何能成為整條產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)？我們?nèi)粘Ｋf的“芯片”和它又是什么關(guān)系？

從沙子到“畫布”

如果說芯片是現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，那么晶圓就是培育糧食的“黑土地”。這片“黑土地”的“土壤”，其實(shí)來自于地球上最常見的物質(zhì)之一——沙子（主要成分：二氧化硅）。

點(diǎn)“沙”成“硅”

沙子里有硅，但是純度很低，而且是二氧化硅（SiO2）。我們不能隨便抓一把沙子就拿來提煉硅。通常，會(huì)選用含硅量比較高的石英砂礦石。

▲高純石英砂礦石

第一步，脫氧、提純。

將石英砂原料放入熔爐中，加熱到1400℃以上的高溫（硅的熔點(diǎn)為1410℃），與碳源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就可以生成高純度（98%以上）的冶金級(jí)工業(yè)硅（MG-Si）。

▲冶金級(jí)工業(yè)硅

隨后，通過氯化反應(yīng)和蒸餾工藝，進(jìn)一步提純，得到純度更高的硅。

硅這個(gè)材料，不僅可以用于半導(dǎo)體芯片制造，也可以用于光伏行業(yè)（太陽能發(fā)電）。

▲光伏板

在半導(dǎo)體芯片行業(yè)，對(duì)硅的純度要求更加變態(tài)，是99.9999999%到99.999999999%，也就是9~11個(gè)9。這種用于半導(dǎo)體制造的硅，學(xué)名電子級(jí)硅（EG-Si），平均每一百萬個(gè)硅原子中最多只允許有一個(gè)雜質(zhì)原子。

種出“完美的圓柱”

這種經(jīng)過提純之后的硅，是多晶硅。接下來，還需要把它變成單晶硅。

簡(jiǎn)單來說，單晶硅具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，有非常好的性能。多晶硅，晶粒大、不規(guī)則、缺陷多，各種性能都相對(duì)差。所以，芯片這種高端貨，基本都使用單晶硅。光伏那邊，可以用多晶硅。

工人們將多晶硅在高溫下熔化成液體，然后將一顆微小的“籽晶”浸入熔體中，并以極其緩慢的速度旋轉(zhuǎn)、提拉。

隨著籽晶的“生長(zhǎng)”，硅原子會(huì)像搭積木一樣，嚴(yán)格按照籽晶的晶體結(jié)構(gòu)排列，最終形成一根巨大、光滑、完美的圓柱形“單晶硅錠”。這個(gè)過程必須在絕對(duì)真空和高溫下進(jìn)行，任何微小的震動(dòng)或雜質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。

從“圓柱”到“圓片”

晶圓為什么是圓的？答案就在這根圓柱形的硅錠上。接下來，這根硅錠會(huì)被精密切割機(jī)（類似精密的“面包切片機(jī)”）切割成一片片厚度不到1毫米的薄片。

目前主流的切片方式，是采用帶有金剛線的多線切割機(jī)，也就是用線上固定有金剛石顆粒的鋼絲線，對(duì)硅段進(jìn)行多段切割。這種方法的效率高、損耗少。

▲金剛線鋸

切片有時(shí)候也會(huì)采用內(nèi)圓鋸。內(nèi)圓鋸則是內(nèi)圓鍍有金剛石的薄片，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)圓薄片切割晶錠。內(nèi)圓鋸的切割精度和速度相對(duì)較高，適用于高質(zhì)量晶圓的切割。

▲內(nèi)圓鋸

但剛切下的薄片還很粗糙。它們必須經(jīng)過研磨、化學(xué)腐蝕和“化學(xué)機(jī)械拋光”等多道工序。這個(gè)拋光過程堪稱“吹毛求疵”，最終的晶圓表面必須光滑到“如鏡面一般”。

至此，一塊空白的“晶圓”——芯片的“畫布”——才算正式誕生。它還不是芯片，但它已是承載一切運(yùn)算奇跡的基石。

從“畫布”到“城市”

如果說上一階段我們得到的是一塊塊“畫布”（空白晶圓），那么接下來的過程，就是在這些畫布上繪制出人類迄今為止最復(fù)雜的“畫作”——集成電路。

這個(gè)“繪制”工廠，就是我們常說的“晶圓廠”，比如臺(tái)積電、中芯國際等。而它們使用的“畫筆”，就是光刻機(jī)。

“畫作”的設(shè)計(jì)與繪制

首先，芯片設(shè)計(jì)公司（如英特爾、AMD、英偉達(dá)）會(huì)設(shè)計(jì)出復(fù)雜的電路圖（版圖）。這張圖紙被制作成“光掩?！保拖袷抢鲜侥z卷的底片。

涂膠、曝光、蝕刻的循環(huán)

空白晶圓被送入晶圓廠后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)極其繁復(fù)的“PVD、CVD、光刻、蝕刻、注入”循環(huán)，這個(gè)過程可能要重復(fù)上百次，耗時(shí)數(shù)月：

涂膠：在晶圓表面均勻涂上一層對(duì)光敏感的“光刻膠”。

曝光：光刻機(jī)（如ASML的EUV光刻機(jī)）發(fā)出的光束（如極紫外光）穿過“光掩?！?，將電路圖案“投影”到光刻膠上。被照到的部分會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。

▲光刻機(jī)工作過程

顯影：洗去被曝光（或未被曝光）的光刻膠，電路圖案就留在了晶圓表面。

蝕刻/沉積：使用化學(xué)氣體或等離子體，在沒有光刻膠保護(hù)的區(qū)域進(jìn)行“雕刻”（蝕刻掉多余的硅）或“沉積”（生長(zhǎng)出新的材料層，如銅導(dǎo)線或絕緣體）。

離子注入：在特定區(qū)域“摻雜”入其他元素，以改變其導(dǎo)電性能，從而制造出晶體管（開關(guān)）。

從晶圓到芯片的最后一步

這個(gè)循環(huán)往復(fù)，就像用3D打印技術(shù)一層一層地蓋樓。幾個(gè)月后，原本光滑的晶圓表面已經(jīng)布滿了數(shù)以百億計(jì)的微型晶體管和連接線，形成了一座座密集的“微縮城市”。

此時(shí)，這片“晶圓”上已經(jīng)布滿了成百上千個(gè)完全相同的“芯片”。它已經(jīng)不再是“空白畫布”，而是“滿載畫作的成品”。

此次事件中的安世半導(dǎo)體東莞工廠的角色，正是“封裝測(cè)試”。它們拿到的，就是這種“滿載畫作”的成品晶圓。它們的工作是：

測(cè)試：用探針測(cè)試晶圓上每一個(gè)裸片，看是否合格。

切割：將這塊大圓片切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小方塊（芯片）。

封裝：將合格的芯片“裝”進(jìn)我們常見的黑色小方盒（芯片外殼）里，并焊上引腳，以便它能安裝在電路板上。

從“追趕”到“并跑”

從全球視角看，中國大陸晶圓代工產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷從“追趕”到“并跑”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期。雖然在最先進(jìn)的2納米、3納米制程上仍有差距，但在成熟制程、特色工藝、化合物半導(dǎo)體等領(lǐng)域，中國企業(yè)正在縮小差距甚至實(shí)現(xiàn)局部領(lǐng)先。

《2025全球及中國半導(dǎo)體制造市場(chǎng)預(yù)測(cè)和產(chǎn)業(yè)分析》報(bào)告顯示，未來三年，隨著71座300mm晶圓廠的陸續(xù)投產(chǎn)，中國大陸將占據(jù)全球近三成的產(chǎn)能份額。

如今，中國晶圓代工產(chǎn)業(yè)需要在技術(shù)攻關(guān)、人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方面持續(xù)發(fā)力。未來將在成熟制程、特色工藝領(lǐng)域鞏固優(yōu)勢(shì)，逐步夯實(shí)供應(yīng)鏈安全，這樣不僅將大幅提升中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自給率，也將深刻改變?nèi)虬雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局。