Semiconductor Wafer Fabrication 深度解析

01什麼是 Wafer 製造？

Wafer 製造（也稱為晶圓廠或簡稱 Fab）是用於在 semiconductor wafer 上製造積體電路 (IC) 的製程。Semiconductor wafer 製造過程涉及在超潔淨環境中執行的數百個單獨步驟，將裸 silicon wafer 轉變為包含數十億電晶體的複雜 IC。

Silicon Wafer

Wafer 製造從高純度 silicon wafer 開始，直徑通常為 200mm（8 英寸）或 300mm（12 英寸）。這些 wafer 是用直拉法從矽錠上切割下來的，純度達到 99.9999999%（九個九）。

前道製程 (FEOL)

FEOL 處理在 wafer 上建立有源元件（電晶體）。包括閘極氧化、摻雜離子注入，以及形成執行運算操作的電晶體結構。

後道製程 (BEOL)

BEOL 處理建立將電晶體連接在一起的金屬互連。現代 IC 有 10-15+ 層金屬，先進製程使用僅幾奈米寬的銅導線連接數十億個電晶體。

02Wafer 製造步驟

Silicon wafer 製造過程由幾個關鍵階段組成，每個階段都要重複多次以構建積體電路的各層。

1. 01
   氧化與沉積

   在 wafer 表面生長或沉積薄膜。熱氧化產生用於絕緣的二氧化矽。CVD（化學氣相沉積）和 PVD（物理氣相沉積）添加多晶矽、金屬和介電材料等。
2. 02
   光刻

   在 wafer 上塗覆光敏光刻膠。UV 或 EUV 光透過光罩將電路圖案投射到光刻膠上。曝光的圖案被顯影，為下一製程步驟建立窗口。
3. 03
   蝕刻

   透過光刻膠窗口選擇性地去除材料。濕法蝕刻使用化學溶液，而乾法蝕刻（電漿）為先進節點提供更高精度。圖案轉移建立電路特徵。
4. 04
   離子注入

   摻雜材料（硼、磷、砷）的離子被加速注入矽中以改變其電學特性。這建立了形成電晶體的 n 型和 p 型區域。
5. 05
   CMP（拋光）

   化學機械拋光使 wafer 表面平坦化，為後續層建立平坦表面。對於每層都必須完全平整的多層金屬化至關重要。
6. 06
   量測與檢測

   在整個過程中，自動檢測系統檢查缺陷。關鍵尺寸量測確保特徵符合設計規格。缺陷 die 被標記以便後續剔除。

03潔淨室環境

Semiconductor wafer 製造需要極其潔淨的環境。一個微粒就可能毀壞整個 IC，這使得潔淨室技術至關重要。

ISO 1 級潔淨室

現代晶圓廠在 ISO 1 級潔淨室中運行，每立方公尺中大於 0.1 微米的顆粒少於 10 個。這比醫院手術室潔淨 10,000 倍。

HEPA & ULPA 過濾

高效顆粒空氣 (HEPA) 和超低穿透空氣 (ULPA) 過濾器持續去除顆粒。生產區域的空氣每小時完全更換 10-600 次。

無塵服

工人穿著全身潔淨服（兔子服）、手套和口罩以防止人體污染。自動化物料處理系統最大限度減少關鍵區域的人員存在。

水和化學品純度

Wafer 製造中使用的超純水 (UPW) 污染物含量低於十億分之五。所有化學品在用於晶圓廠之前都經過嚴格純化。

04光刻技術

光刻是在 wafer 上定義電路圖案的關鍵步驟。光刻技術的進步使電晶體尺寸得以持續縮小。

深紫外 (DUV) 光刻

193nm 氟化氬 (ArF) 雷射用於 7nm 及以上節點（配合多重圖案化）。DUV 系統每台成本 5000 萬-1 億美元，是大多數 wafer 製造的主力設備。

EUV 光刻

極紫外（13.5nm 波長）光刻使單次圖案化實現 7nm 以下節點成為可能。EUV 設備成本 1.5 億美元以上，僅由 ASML 生產。對 5nm/3nm/2nm 製程至關重要。

多重圖案化

對於先進節點的 DUV，多次曝光和蝕刻建立小於光波長的特徵。SADP（自對準雙重圖案化）和 SAQP（四重）等技術擴展了 DUV 的能力。

05製程節點演進

Wafer 製造技術透過不斷縮小的製程節點取得進步，每一代都能在每個 IC 上整合更多電晶體。

06Wafer 製造常見問題

關於 semiconductor wafer 製造和 IC 製造製程的常見問題。

什麼是 wafer 製造？

Wafer 製造是在 semiconductor wafer 上製造積體電路的過程。它涉及數百個製程步驟，包括薄膜沉積、光刻、蝕刻、離子注入和量測。該過程將空白 silicon wafer 轉變為包含電晶體和互連的數千個單獨 die（裸 die）。

Wafer 製造需要多長時間？

Wafer 製造過程通常需要 8-16 週，具體取決於製程複雜度和節點。金屬層更多的先進節點需要更長時間。這包括所有加工步驟，但不包括封裝和測試，這些會增加額外時間。

Wafer 製造有多少製程步驟？

現代 wafer 製造涉及 300-1000+ 個單獨的製程步驟，具體取決於技術節點。每個金屬層都需要沉積、光刻、蝕刻和 CMP 步驟。具有 10+ 金屬層和複雜電晶體結構的先進節點比成熟節點需要更多步驟。

200mm 和 300mm wafer 有什麼區別？

200mm（8 英寸）和 300mm（12 英寸）指的是 wafer 直徑。300mm wafer 的面積是 200mm 的 2.25 倍，每片 wafer 可生產 2.25 倍的 die。大多數先進晶圓廠使用 300mm 以提高效率，而 200mm 晶圓廠常見於成熟/特種製程。產業正在開發 450mm wafer。

為什麼 wafer 製造需要潔淨室？

潔淨室是必要的，因為大於特徵尺寸的顆粒會導致缺陷。在 7nm 時，0.1 微米的顆粒比最小特徵大 14 倍。潔淨室透過複雜的空氣過濾、溫溼度控制和嚴格的規程保持 ISO 1-4 級環境。

什麼是光刻？

光刻是使用光將電路圖案轉移到 wafer 上的過程。包含圖案的光罩被照明，將影像投射到塗有光刻膠的 wafer 上。曝光的光刻膠被顯影，為後續的蝕刻或沉積步驟建立窗口。

什麼是 EUV 光刻？

EUV（極紫外）光刻使用 13.5nm 波長的光來圖案化先進節點（7nm 及以下）的特徵。短波長可實現比傳統 193nm DUV 光刻更小的特徵。EUV 設備成本 1.5 億美元以上，僅由 ASML 製造。

Wafer 製造的成本是多少？

Wafer 製造成本因節點不同而差異很大。加工一片 300mm wafer 的成本：成熟節點（65nm+）2,000-5,000 美元，主流節點（28nm-22nm）5,000-10,000 美元，先進 FinFET（16nm-7nm）10,000-20,000 美元，前沿節點（5nm 及以下）20,000 美元以上。MPW shuttle 在參與者之間分攤這些成本。

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1. [1]
   SEMI Industry Standards

   SEMI - Semiconductor Equipment and Materials International
2. [2]
   TSMC Technology

   Taiwan Semiconductor Manufacturing Company
3. [3]
   ASML Lithography Technology

   ASML Holding
4. [4]
   Applied Materials Semiconductor Solutions

   Applied Materials