2018-11-28
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在半導體行業，尤其是集成電路領域(yu)，晶圓的身(shen)影隨處(chu)可見。
晶圓就(jiu)是一(yi)塊薄(bo)薄(bo)的、圓形的高(gao)純硅晶片，而(er)在這種高(gao)純硅晶片上可以加工制作出各種電路(lu)元件結構，使(shi)之成為有(you)特定電性功能的集(ji)成電路(lu)產品。
說(shuo)到集成電路（integrated circuit，IC），或者(zhe)實(shi)物，或者(zhe)圖片，大(da)家(jia)都見(jian)過，如下圖所示(shi)：
眼前這密(mi)密(mi)麻麻的(de)元器件(jian)，被(bei)整(zheng)整(zheng)齊齊的(de)安放(fang)在一(yi)塊單(dan)晶硅(gui)材料之上，都(dou)是(shi)規規矩(ju)(ju)矩(ju)(ju)、方(fang)方(fang)正(zheng)正(zheng)的(de)。可見，晶圓(yuan)在實際(ji)應用之中還是(shi)要被(bei)切割(ge)成方(fang)形(xing)的(de)。
所以疑(yi)問來了——硅片為什么(me)要做成(cheng)圓的？為什么(me)是“晶圓”，而不做成(cheng)“晶方”？
要解釋這(zhe)個問題，有(you)兩方面(mian)的原(yuan)因(yin)：一方面(mian)似乎是由(you)“基因(yin)決定的”；另一方面(mian)是“環境造成的”。
“ 基因(yin)決定”——生長方(fang)法導致 若要(yao)回答這個問(wen)題，首(shou)先要(yao)說一個大(da)約有100余年(nian)歷史的原因(yin)。。。
1918年，前蘇聯科學家切克勞斯基(ji)（Czochralski）建立起(qi)來一種晶(jing)體生長方法——直拉式晶(jing)體生長方法，簡稱CZ法。
硅晶(jing)圓的制造可以歸納為(wei)三個基本步驟：硅提煉及提純、單(dan)晶(jing)硅生(sheng)長(chang)、晶(jing)圓成型。
首先(xian)是硅砂(sha)的提純(chun)及熔煉(lian)。這個(ge)階段(duan)主要是通過溶解、提純(chun)、蒸(zheng)餾等一系列措施得到多晶硅。
接下(xia)來(lai)是單(dan)(dan)晶硅生(sheng)長工藝。就是從(cong)硅熔體中(zhong)生(sheng)長出(chu)單(dan)(dan)晶硅。高純(chun)度的(de)多晶硅放在石英坩堝中(zhong)，在保護性(xing)氣氛中(zhong)高溫加熱使(shi)(shi)其熔化。使(shi)(shi)用一(yi)顆小的(de)籽(zi)晶緩慢地從(cong)旋(xuan)轉著的(de)熔體中(zhong)緩慢上升(sheng)，即可垂直(zhi)拉制出(chu)大直(zhi)徑的(de)單(dan)(dan)晶硅錠。
最后(hou)一步是(shi)晶圓成型。單(dan)晶硅(gui)(gui)錠一般呈圓柱型，直徑從3英寸到十幾英寸不等。硅(gui)(gui)錠經過切片(pian)、拋光之后(hou)，就(jiu)得到了(le)單(dan)晶硅(gui)(gui)圓片(pian)，也(ye)即晶圓。
其(qi)生長過程分解(jie)如下(xia)圖所示。
目前，直(zhi)拉(la)法(fa)是生長晶(jing)圓最(zui)常用(yong)的方法(fa)了，除了直(zhi)拉(la)法(fa)之外，常用(yong)的方法(fa)還有(you)區熔法(fa)。
區熔法，簡稱Fz法。1939年，在貝爾實驗(yan)室工作的(de)W·G·Pfann 最(zui)先萌生了“區域勻平(ping)”的(de)念頭，后來在亨利·休(xiu)勒(le) 、丹(dan)·多西等人的(de)協助下，生長出了高純度的(de)鍺以及硅單晶(jing)，并獲得(de)了專利。
這種方法是利用熱(re)能在半(ban)導(dao)體多(duo)晶(jing)棒(bang)(bang)料(liao)的一(yi)端(duan)產生(sheng)一(yi)熔(rong)區(qu)，使(shi)其重結晶(jing)為單(dan)晶(jing)。使(shi)熔(rong)區(qu)沿一(yi)定方向(xiang)緩(huan)慢地向(xiang)棒(bang)(bang)的另一(yi)端(duan)移動，進而通過整根(gen)棒(bang)(bang)料(liao)，使(shi)多(duo)晶(jing)棒(bang)(bang)料(liao)生(sheng)長成一(yi)根(gen)單(dan)晶(jing)棒(bang)(bang)料(liao)，區(qu)熔(rong)法也(ye)需要籽(zi)(zi)晶(jing)，且最(zui)終得到的柱狀單(dan)晶(jing)錠晶(jing)向(xiang)與籽(zi)(zi)晶(jing)的相同(tong)。
區(qu)(qu)熔法(fa)分為兩種：水平(ping)區(qu)(qu)熔法(fa)和立(li)式懸浮區(qu)(qu)熔法(fa)。前者主要(yao)用于(yu)鍺、GaAs等材料的(de)提(ti)純(chun)和單晶(jing)生(sheng)長；后者主要(yao)用于(yu)硅。
為什么(me)有橫著和豎(shu)著長(chang)的不同捏？這是由于(yu)硅(gui)的熔點高，化學性能活潑， 容易受到(dao)異物的玷污，所(suo)以難以找到(dao)適合的器皿來盛方，自(zi)然(ran)水平區熔法不能用(yong)在硅(gui)的生長(chang)上啦。
區熔法(fa)與直拉法(fa)最大的不同之處在(zai)于：區熔法(fa)一般(ban)不使用坩鍋，引入(ru)的雜質更(geng)少(shao)(shao)，生長的材料雜質含(han)量(liang)也就更(geng)少(shao)(shao)。
總而言之，單(dan)晶(jing)硅棒是圓(yuan)柱形的，使(shi)用(yong)這種(zhong)方法得到的單(dan)晶(jing)硅圓(yuan)片自然也是圓(yuan)形的了。就是下(xia)圖這個樣的——
你(ni)知道是兩頭的(de)尖(jian)(jian)尖(jian)(jian)是如何造成的(de)嗎？Bingo，圖左的(de)尖(jian)(jian)尖(jian)(jian)是籽晶，圖右的(de)尖(jian)(jian)尖(jian)(jian)是晶棒長到最后(hou)，從熔融態里出(chu)來后(hou)，由于復雜的(de)流體力學原理，以及熔融態的(de)硅迅速凝(ning)固而導致的(de)。
“ 環境決定”——技術發展(zhan)導致(zhi)
其(qi)實，除了晶圓(yuan)的(de)生長方法決(jue)定的(de)“晶圓(yuan)”是圓(yuan)形的(de)這個原因(yin)之(zhi)外，還(huan)有以下3條其(qi)他的(de)決(jue)定因(yin)素：
2?有人計算過， 比(bi)較直(zhi)徑為(wei)L毫米(mi)的(de)(de)圓(yuan)(yuan)和邊長(chang)為(wei)L毫米(mi)的(de)(de)正(zheng)方形，考慮晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)制造過程中邊緣5到8毫米(mi)是(shi)不可利(li)用(yong)的(de)(de)，算算就知(zhi)道正(zheng)方形浪費的(de)(de)使用(yong)面積比(bi)率是(shi)比(bi)圓(yuan)(yuan)型高的(de)(de)。所以，圓(yuan)(yuan)形是(shi)等周(zhou)長(chang)時(shi)表面積做大(da)的(de)(de)二維圖形，加工時(shi)能(neng)(neng)夠充分利(li)用(yong)原(yuan)料，在一(yi)片晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)上能(neng)(neng)分出最多的(de)(de)芯(xin)片。
3?在(zai)實際的(de)(de)(de)加(jia)工(gong)制成當(dang)中，圓形(xing)的(de)(de)(de)物體比較便于生(sheng)產操作。圓型具有任意軸對稱性(xing),這是(shi)晶圓制作工(gong)藝必然的(de)(de)(de)要求，可以(yi)想(xiang)象一下，在(zai)圓型晶圓表面可以(yi)通過旋轉涂(tu)(tu)布法(fa)(spin coating，事實上是(shi)目前(qian)均勻涂(tu)(tu)布光刻膠的(de)(de)(de)唯一方法(fa))獲得很均勻一致的(de)(de)(de)光刻膠涂(tu)(tu)層，但其它形(xing)狀的(de)(de)(de)晶圓呢？ 不可能或非常難，可以(yi)的(de)(de)(de)話也是(shi)成本很高。
4?作為圓(yuan)柱的單(dan)晶硅晶錠更便于運(yun)輸，有效的避免了(le)在運(yun)輸途中磕(ke)碰損壞，邊角碎掉什么(me)的造(zao)成材料損耗(hao)。
而且，請仔細回想一(yi)下(xia)，你看到的晶圓(yuan)(yuan)是完全的圓(yuan)(yuan)的嗎(ma)？非也(ye)！請看下(xia)圖：
在硅(gui)棒(bang)做出來(lai)后，在200mm以下的(de)硅(gui)棒(bang)上(shang)是切割一個平角(jiao)，叫Flat。在200mm（含）以上(shang)硅(gui)棒(bang)上(shang)，為了減少(shao)浪費，只裁剪個圓(yuan)形小(xiao)口，叫做Notch。最后再進行切片(pian)，得到的(de)晶圓(yuan)如下。
那么(me)，這個小豁口是(shi)做什(shen)么(me)用(yong)的呢(ni)？很容(rong)易想(xiang)到——定(ding)位。這樣(yang)每片晶(jing)圓的晶(jing)向(xiang)就(jiu)能(neng)確(que)定(ding)，在(zai)加工的時候也不容(rong)易出錯(cuo)了。
所以，為什么“晶圓”沒有方的(de)(de)？？？答案(an)很簡單，是一(yi)個歷(li)史遺(yi)留的(de)(de)問題(ti)，也是一(yi)個技術限制(zhi)的(de)(de)問題(ti)。而且，真的(de)(de)沒有必要做出(chu)來正方的(de)(de)硅片呢(ni)～
不過，不過，真的有方形的硅(gui)片存在呢(ni)～看下圖～～
那(nei)就是——太陽能電(dian)池所(suo)用的(de)硅片。
那么(me)，問題來(lai)了，最后一張(zhang)圖中(zhong)的片子為(wei)什(shen)么(me)缺(que)了四個角捏？？？
