kaix

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晶圆,为什么没有方的?

2019-4-17 11:42:58 显示全部楼层
本帖最后由 kaix 于 2019-4-17 11:47 编辑

        在半导体行业,尤其是集成电路领域,晶圆的身影随处可见。
        晶圆就是一块薄薄的、圆形的高纯硅晶片,而在这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件结构,使之成为有特定电性功能的集成电路产品。
        说到集成电路(integrated circuit,IC),或者实物,或者图片,大家都见过,如下图所示:
        
        (来源:游民星空)
        眼前这密密麻麻的元器件,被整整齐齐的安放在一块单晶硅材料之上,都是规规矩矩、方方正正的。可见,晶圆在实际应用之中还是要被切割成方形的。
        所以疑问????️来了——硅片为什么要做成圆的?为什么是“晶圆”,而不做成“晶方”?
        要解释这个问题,有两方面的原因:一方面似乎是由“基因决定的”;另一方面是“环境造成的”。
“基因决定”——生长方法导致
        若要回答这个问题,首先要说一个大约有100余年历史的原因。。。
        1918年,前苏联科学家切克劳斯基(Czochralski)建立起来一种晶体生长方法——直拉式晶体生长方法,简称CZ法
        硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。
        
        (来源:http ://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/crystal/4403.html)
        首先是硅砂的提纯及熔炼。这个阶段主要是通过溶解、提纯、蒸馏等一系列措施得到多晶硅。
        接下来是单晶硅生长工艺。就是从硅熔体中生长出单晶硅。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,在保护性气氛中高温加热使其熔化。使用一颗小的籽晶缓慢地从旋转着的熔体中缓慢上升,即可垂直拉制出大直径的单晶硅锭。
        最后一步是晶圆成型。单晶硅锭一般呈圆柱型,直径从3英寸到十几英寸不等。硅锭经过切片、抛光之后,就得到了单晶硅圆片,也即晶圆。
        其生长过程分解如下图所示。
        
        (来源:吴川的博客)
        目前,直拉法是生长晶圆最常用的方法了,除了直拉法之外,常用的方法还有区熔法。
        区熔法,简称Fz法。1939年,在贝尔实验室工作的W·G·Pfann 最先萌生了“区域匀平”的念头,后来在亨利·休勒 、丹·多西等人的协助下,生长出了高纯度的锗以及硅单晶,并获得了专利。
        这种方法是利用热能在半导体多晶棒料的一端产生一熔区,使其重结晶为单晶。使熔区沿一定方向缓慢地向棒的另一端移动,进而通过整根棒料,使多晶棒料生长成一根单晶棒料,区熔法也需要籽晶,且最终得到的柱状单晶锭晶向与籽晶的相同。
        
        (来源:百度百科)
        区熔法分为两种:水平区熔法立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长;后者主要用于硅。
        为什么有横着和竖着长的不同捏?这是由于硅的熔点高,化学性能活泼, 容易受到异物的玷污,所以难以找到适合的器皿来盛方,自然水平区熔法不能用在硅的生长上啦。
        
        (来源:百度百科)
        区熔法与直拉法最大的不同之处在于:区熔法一般不使用坩锅,引入的杂质更少,生长的材料杂质含量也就更少
        总而言之,单晶硅棒是圆柱形的,使用这种方法得到的单晶硅圆片自然也是圆形的了。就是下图这个样的——
        
        (来源:八方资源网)
        你知道是两头的尖尖是如何造成的吗?Bingo,图左的尖尖是籽晶,图右的尖尖是晶棒长到最后,从熔融态里出来后,由于复杂的流体力学原理,以及熔融态的硅迅速凝固而导致的。
“环境决定”——技术发展导致
        其实,除了晶圆的生长方法决定的“晶圆”是圆形的这个原因之外,还有以下3条其他的决定因素:
        2⃣️有人计算过, 比较直径为L毫米的圆和边长为L毫米的正方形,考虑晶圆制造过程中边缘5到8毫米是不可利用的,算算就知道正方形浪费的使用面积比率是比圆型高的。所以,圆形是等周长时表面积做大的二维图形,加工时能够充分利用原料,在一片晶圆上能分出最多的芯片。
        3⃣️在实际的加工制成当中,圆形的物体比较便于生产操作。圆型具有任意轴对称性,这是晶圆制作工艺必然的要求,可以想象一下,在圆型晶圆表面可以通过旋转涂布法(spin coating,事实上是目前均匀涂布光刻胶的唯一方法)获得很均匀一致的光刻胶涂层,但其它形状的晶圆呢? 不可能或非常难,可以的话也是成本很高。
        4⃣️作为圆柱的单晶硅晶锭更便于运输,有效的避免了在运输途中磕碰损坏,边角碎掉什么的造成材料损耗。
        而且,请仔细回想一下,你看到的晶圆是完全的圆的吗?非也!请看下图:
        
        (来源:知乎)
        在硅棒做出来后,在200mm以下的硅棒上是切割一个平角,叫Flat。在200mm(含)以上硅棒上,为了减少浪费,只裁剪个圆形小口,叫做Notch。最后再进行切片,得到的晶圆如下。
          
        (来源:知乎)
        那么,这个小豁口是做什么用的呢?很容易想到——定位。这样每片晶圆的晶向就能确定,在加工的时候也不容易出错了。
        所以,为什么“晶圆”没有方的???答案很简单,是一个历史遗留的问题,也是一个技术限制的问题。而且,真的没有必要做出来正方的硅片呢~
        
        (来源:堆糖)
        不过,不过,真的有方形的硅片存在呢~看下图~~
        
        (来源:中国制造网)
        
        (来源:首擎网)
        那就是——太阳能电池所用的硅片
        那么,问题来了,最后一张图中的片子为什么缺了四个角捏???
        

        (来源:dreamtime)
        参考文献:
        [1]吴川.IC是方的晶圆却做成圆的 这不浪费材料么.http ://www.mr-wu.cn/jing-yuan-wei-shen-me-shi-yuan-de/.2017-09.
        [2]老狼.晶圆为什么是圆的?.https ://www.zhihu.com/question/21003346.2017-11.
        [3]W.G.Pfann ,吴道成.区域熔化法是怎样发明的?[J].世界科学,1986(09):34-64.
         
        来源: 颜相宁 中科院半导体所
         bd0eecc8c45367f288fa9075cd370dff.jpg

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我是歪星人

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我是歪星人 2019-4-17 13:23:18 显示全部楼层
谢谢分享!

最是清风伴我眠

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楼主没回答最后一幅图中为啥被切了四个角啊

景锋

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景锋 2019-4-18 13:56:45 显示全部楼层
mr-wu的名字是吳川斌
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Yazy

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Yazy 2019-4-19 18:18:59 显示全部楼层
其实,竖着切就是方的了,不过切出来大小不一致而已

测量无处不在

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电池片四个尖角容易应力集中,造成后续贴片等过程的四个角的断裂,所以一般都要有一个倒角比较好。
晶圆介绍的挺详细的,学习了

curton

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curton 2019-4-23 15:32:04 显示全部楼层
好成型吧
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