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為什么硅片不是方的?
技術相關 | 發布者:黃瓜視頻 手機版下載 | 發布時間:2019-04-29 15:15 |閱讀數:

在半導體行業,尤其是集成電路領域,晶圓的身影隨處可見。

 

晶圓就是一塊薄薄的、圓形的高純硅晶片,而在這種高純硅晶片上可以加工制作出各種電路元件結構,使之成為有特定電性功能的集成電路產品。

 

黄瓜视频 說到集成電路(integrated circuit,IC),或者實物,或者圖片,大家都見過,如下圖所示:

 

image.png

 

黄瓜视频 眼前這密密麻麻的元器件,被整整齊齊的安放在一塊單晶硅材料之上,都是規規矩矩、方方正正的。可見,晶圓在實際應用之中還是要被切割成方形的。

 

所以疑問來了——硅片為什么要做成圓的?為什么是“晶圓”,而不做成“晶方”?

 

黄瓜视频 要解釋這個問題,有兩方面的原因:一方面似乎是由“基因決定的”;另一方面是“環境造成的”。

 

 

 
“ 基因決定”——生長方法導致
 
若要回答這個問題,首先要說一個大約有100余年歷史的原因。。。

 

 

1918年,前蘇聯科學家切克勞斯基(Czochralski)建立起來一種晶體生長方法——直拉式晶體生長方法,簡稱CZ法。

 

硅晶圓的制造可以歸納為三個基本步驟:硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。

 

 

首先是硅砂的提純及熔煉。這個階段主要是通過溶解、提純、蒸餾等一系列措施得到多晶硅。

 

黄瓜视频 接下來是單晶硅生長工藝。就是從硅熔體中生長出單晶硅。高純度的多晶硅放在石英坩堝中,在保護性氣氛中高溫加熱使其熔化。使用一顆小的籽晶緩慢地從旋轉著的熔體中緩慢上升,即可垂直拉制出大直徑的單晶硅錠。

 

最后一步是晶圓成型。單晶硅錠一般呈圓柱型,直徑從3英寸到十幾英寸不等。硅錠經過切片、拋光之后,就得到了單晶硅圓片,也即晶圓。

黄瓜视频 其生長過程分解如下圖所示。

 

目前,直拉法是生長晶圓最常用的方法了,除了直拉法之外,常用的方法還有區熔法。

 

區熔法,簡稱Fz法。1939年,在貝爾實驗室工作的W·G·Pfann 最先萌生了“區域勻平”的念頭,后來在亨利·休勒 、丹·多西等人的協助下,生長出了高純度的鍺以及硅單晶,并獲得了專利。

 

這種方法是利用熱能在半導體多晶棒料的一端產生一熔區,使其重結晶為單晶。使熔區沿一定方向緩慢地向棒的另一端移動,進而通過整根棒料,使多晶棒料生長成一根單晶棒料,區熔法也需要籽晶,且最終得到的柱狀單晶錠晶向與籽晶的相同。

 

 

區熔法分為兩種:水平區熔法和立式懸浮區熔法。前者主要用于鍺、GaAs等材料的提純和單晶生長;后者主要用于硅。

 

為什么有橫著和豎著長的不同捏?這是由于硅的熔點高,化學性能活潑, 容易受到異物的玷污,所以難以找到適合的器皿來盛方,自然水平區熔法不能用在硅的生長上啦。

 

 

區熔法與直拉法最大的不同之處在于:區熔法一般不使用坩鍋,引入的雜質更少,生長的材料雜質含量也就更少。

 

黄瓜视频 總而言之,單晶硅棒是圓柱形的,使用這種方法得到的單晶硅圓片自然也是圓形的了。就是下圖這個樣的——

 

 

你知道是兩頭的尖尖是如何造成的嗎?Bingo,圖左的尖尖是籽晶,圖右的尖尖是晶棒長到最后,從熔融態里出來后,由于復雜的流體力學原理,以及熔融態的硅迅速凝固而導致的。

 

 

 
“ 環境決定”——技術發展導致
 

 

其實,除了晶圓的生長方法決定的“晶圓”是圓形的這個原因之外,還有以下3條其他的決定因素:

 

黄瓜视频 2⃣有人計算過, 比較直徑為L毫米的圓和邊長為L毫米的正方形,考慮晶圓制造過程中邊緣5到8毫米是不可利用的,算算就知道正方形浪費的使用面積比率是比圓型高的。所以,圓形是等周長時表面積做大的二維圖形,加工時能夠充分利用原料,在一片晶圓上能分出最多的黃瓜視頻。

 

黄瓜视频 3⃣在實際的加工制成當中,圓形的物體比較便于生產操作。圓型具有任意軸對稱性,這是晶圓制作工藝必然的要求,可以想象一下,在圓型晶圓表面可以通過旋轉涂布法(spin coating,事實上是目前均勻涂布光刻膠的唯一方法)獲得很均勻一致的光刻膠涂層,但其它形狀的晶圓呢? 不可能或非常難,可以的話也是成本很高。

 

黄瓜视频 4⃣作為圓柱的單晶硅晶錠更便于運輸,有效的避免了在運輸途中磕碰損壞,邊角碎掉什么的造成材料損耗。

 

而且,請仔細回想一下,你看到的晶圓是完全的圓的嗎?非也!請看下圖:

 

在硅棒做出來后,在200mm以下的硅棒上是切割一個平角,叫Flat。在200mm(含)以上硅棒上,為了減少浪費,只裁剪個圓形小口,叫做Notch。最后再進行切片,得到的晶圓如下。

 

  

黄瓜视频 那么,這個小豁口是做什么用的呢?很容易想到——定位。這樣每片晶圓的晶向就能確定,在加工的時候也不容易出錯了。

 

黄瓜视频 所以,為什么“晶圓”沒有方的???答案很簡單,是一個歷史遺留的問題,也是一個技術限制的問題。而且,真的沒有必要做出來正方的硅片呢~

 

不過,不過,真的有方形的硅片存在呢~看下圖~~

 

那就是——太陽能電池所用的硅片。

 

那么,問題來了,最后一張圖中的片子為什么缺了四個角捏???

 

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