晶圓？為什麼沒有「晶方」呢？

最新 04-18

本文轉載自中科院半導體所，作者顏相寧

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製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。

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：

（來源：遊民星空）

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——矽片為什麼要做成圓的？為什麼是「晶圓」，而不做成「晶方」？

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餘年歷史的原因。。。

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。

硅晶圓的製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。

（來源：http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/crystal/4403.html）

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。

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。

最後一步是晶圓成型。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、拋光之後，就得到了單晶硅圓片，也即晶圓。

其生長過程分解如下圖所示。

（來源：吳川的博客）

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，後來在亨利·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，並獲得了專利。

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。

（來源：百度百科）

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

為什麼有橫著和豎著長的不同捏？這是由於硅的熔點高，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。

（來源：百度百科）

區熔法與直拉法最大的不同之處在於：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。

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——

（來源：八方資源網）

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後，從熔融態里出來後，由於複雜的流體力學原理，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：

?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，考慮晶圓製造過程中邊緣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晶元。

?在實際的加工製成當中，圓形的物體比較便於生產操作。圓型具有任意軸對稱性,這是晶圓製作工藝必然的要求，可以想像一下，在圓型晶圓表面可以通過旋轉塗布法(spin coating，事實上是目前均勻塗布光刻膠的唯一方法)獲得很均勻一致的光刻膠塗層，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。

?作為圓柱的單晶硅晶錠更便於運輸，有效的避免了在運輸途中磕碰損壞，邊角碎掉什麼的造成材料損耗。

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：