让我们一起了解一下历史上是如何通过技术进步和制造工艺的改进，开发出高精度的超薄硅晶圆的。
硅晶圆(图1)用于生产晶体管、二极管和集成电路。晶圆的尺寸范围从几厘米到几英尺不等。较小的晶圆用于开发较小的微电子设备，而较大的晶圆则适用于更高效的制造工艺。
图1：硅晶圆CPU集成电路(来源：Moderock)
随着时间的推移，硅晶圆制造技术发生了翻天覆地的变化，为我们的设备提供动力的半导体行业也从中受益。晶圆尺寸的每一次增大，都提供了功能越来越强大、价格越来越低廉的半导体，从而提高了计算能力，使消费电子产品更加普及。
半导体制造商增加晶圆直径的目的是为了提高产量和降低价格。晶圆上可容纳的芯片越多，固定成本就越容易分摊，无论是工厂基础设施、加工工具还是劳动力。因此，随着晶圆尺寸的增加，每个芯片的成本将大幅下降。
虽然圆形晶圆最为常见，但也有方形和矩形晶圆，厚度为几百微米或几千分之一英寸。
随着时间的推移，已经产生几家专门从事晶圆生产的巨头，晶圆直径从最初的1英寸开始，一直到目前的300毫米。为了增加每个晶圆上的芯片和晶体管数量、降低制造成本并采用新技术，晶圆尺寸在过去60年中一直在不断扩大。
20世纪60年代的原始硅晶圆(图2)由手工切割的单晶硅球制成，体积小且价格昂贵，主要用于开发体积大且不可靠的半导体器件。
图2：20世纪60年代的1.6英寸硅晶圆-Mullard FCH211 NAND/NOR六重逆变器(来源：ChipScapes)
一英寸(25.4毫米)晶圆使人们得到了第一批集成电路(IC)，尽管每个芯片上的晶体管数量有限，而且必须手动将它们装入加工设备，进而导致大量故障。在这首次尝试中，值得强调的是在制造高性能小型晶体管和所使用的技术方面所开发的能力，这些技术促使了更大晶圆的出现。
随后的20世纪70年代和80年代，由于集成电路的出现，晶圆尺寸进一步扩大，最初是2英寸晶圆，然后发展到4英寸晶圆。为了提高芯片产能和降低成本，业界在20世纪70年代开始使用2英寸(50.8毫米)和3英寸(76.2毫米)晶圆。
这些技术通过减少故障增加了芯片的表面积，提高了芯片的性能，并且出现了加速处理过程的自动化技术。因此，人们得到了每个芯片上有数十个晶体管的晶圆，其最小尺寸超过10微米，这催生了第一批微处理器和内存电路。可以预见，大规模生产的时代即将到来。
20世纪80年代，个人电脑的兴起和生产成本的下降推动了100毫米(4英寸)晶圆的出现，这一尺寸成为了标准。这些晶圆使得每块芯片上可以封装数十万个尺寸小于2微米的晶体管，从而提高了微处理器和RAM的性能。由于对这些晶圆的需求巨大，大规模生产就成为了现实，生产的半导体体积小、功能强大且价格低廉。
随后，在20世纪90年代和21世纪，晶圆纯度得到了显著改善，大大减少了杂质，从而实现了更好的半导体性能。20世纪90年代，个人电脑得到广泛采用，导致晶圆尺寸转向150毫米(6英寸)(图3)。这将设计尺寸缩小到0.5微米，从而实现了更高的DRAM密度和性能。在芯片性能提高和价格下降的推动下，电子产品在这十年中呈指数级增长。
图3：带有通信芯片的6英寸硅晶圆(来源：ChipScapes)
二十一世纪初，在优化了加工设备后，为了最大程度地提高晶体管密度，引入了200毫米(8英寸)晶圆。它们在每片芯片的表面上集成了数十亿个晶体管，面积是6英寸晶圆的四倍，尺寸缩小到纳米级(90纳米/65纳米)。这一时期的亮点包括千兆以上DRAM在PC平台上的普及以及组装/测试供应商的增加。
从21世纪初到今天，更高的效率和更低的生产成本一直是行业发展的支柱，随着更大晶圆的使用，芯片制造量也在不断增加。
超薄晶圆的出现始于2010左右，当时人们需要制造更小、更薄的设备。2010前后诞生了300毫米(12英寸)晶圆(图4)。早期的晶圆厂在整合当时使用的最佳开发工具之前，一直在努力解决设备振动、缺陷数量和整体工艺控制等问题。
这些是在小于10nm的FinFET节点上开发的，覆盖的表面积是以前晶圆的2.25倍。得益于这些，每块芯片可以集成超过1亿个晶体管，从而可以制造拥有超过100亿个晶体管的处理器/DRAM。这为未来智能手机和移动设备的设计奠定了基础。
图4：12英寸硅晶圆集成电路(来源：Anncus)
为了提高芯片制造的效率和质量控制，该行业正计划将自动化和人工智能融入其生产流程中。
展望未来，18英寸晶圆将使开发面积增加一倍，芯片成本最多可降低30%。这需要为加工设备、工程师和创新者提供更多的投资，不断缩小几何尺寸、提高技术复杂性和解决缺陷密度问题，并加强供应链整合，为大批量制造提供更好的支撑。
预计硅晶圆尺寸将在未来十年内大幅提升，目前正处于试验阶段，以推动某些非核心芯片技术的发展。提高硅晶圆上晶体管的产量是半导体行业大幅降低制造成本的目标。易于处理和运输等将成为未来硅晶圆直径设计的关键，因为硅晶圆越大，重量就越重，需要更大的存储空间和设备来容纳它们。
图5：硅晶圆直径的演变(来源：UniversityWafer)
(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded，参考链接：Retracing The Evolutionary Process Towards Ultra-Thin Silicon Wafers，由Ricardo Xie编译。)
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