为什么芯片是方的,晶圆是圆的?

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熟悉半导体制造流程的朋友知道,芯片在切割封装之前,所有的制造流程都是在晶圆(Wafer)上操作的。不过我们见到的芯片都是方形的,在圆形的晶圆上制造芯片,总会有部分区域没有利用到。所以为什么不能使用方形的晶圆来增大利用率呢?

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图源 | KitGuru

其实这个问题很好回答,因为晶圆(刚开始是硅片)是在圆柱形的硅棒上切割出来的,所以横截面只能是圆形。那么问题又来了,为什么硅棒是圆柱形的?本文将向你介绍半导体制造的上游产业,硅片与晶圆的制造过程。

晶圆比 “晶方”更适合做芯片

我们总调侃芯片本质上就是一堆沙子,这句话并没有说错。制造芯片的基础——单晶硅就从石英砂中制取的

从沙子变成芯片的关键,在于硅的提纯与单晶硅制备工艺的发展。1916年,波兰化学家柴可拉斯基不小心将钢笔浸入了熔锡坩埚内而不是墨水瓶中,他立即拔出钢笔,发现笔尖上挂着一根凝固的金属丝。柴可拉斯基通过实验验证了这根金属线由金属单晶构成,且单晶体的直径达到毫米级。此后该方法经过化学家的不断迭代,最终制成了单晶硅,这种方法也被称为柴可拉斯基法或直拉法。单晶与多晶相对应,多晶体是由许多小晶粒组成的,晶粒之间的排列没有规则。单晶体本身就是完整的大晶粒,晶体中各原子或离子有序排列。由于多晶硅不像单晶硅那样具有重复的单晶机构来提供稳定的电学与机械性质,所以用制作芯片的硅片只能是单晶硅。

 

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柴氏法(直拉法)

图源 | 翻译自维基百科

直拉法的过程是先在坩埚中将高纯硅加热为熔融态,再将晶种(籽晶)置于一根精确定向的棒的末端,并使末端浸入熔融状态的硅,然后将棒缓慢向上提拉并旋转。通过对提拉速率、旋转速率与温度的精确控制,就可以在棒的末端得到一根较大的圆柱状单晶硅棒,后续再对硅棒进行打磨、抛光、切割等工序后,就能得到一片可用的圆形的硅片了。

所以说,晶圆的圆是因为硅棒“圆”。不过准确来说,晶圆并不是完全的圆形。通常硅片在加工为晶圆后周围会磨出一个缺口(200mm一下切割一个平角,200mm以上为了避免浪费会剪出一个小口),这是为了标明硅晶的生长方向,也便于后续的光刻、刻蚀步骤中对晶圆进行定位。

 

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在硅棒上切口

图源 | 互联网

其实硅棒在切片之前可以先切割成长方体,这样后续切片时就能直接得到“晶方”。不过用来生产芯片的硅棒不会这样做,原因有以下几个:

首先是圆形更适合进行光刻涂胶。晶圆在光刻前,需要在表面均匀涂抹一层光刻胶,涂胶的均匀度直接影响芯片的良率。目前常用的涂胶方法就是在硅片中心涂胶,再通过旋转的方式将光刻胶甩开并铺满整个晶圆。由于液体的粘滞性、表面张力与空气阻力,方形晶圆在甩胶后,四个角处会发生光刻胶堆积,最终影响整体的光刻效果,导致良率下降,浪费更多。

此外,由于边缘应力的存在,圆形晶圆的结构强度也高于方形。硅片在变成晶圆之前需要进行多次光刻、刻蚀、化学研磨等过程,晶圆会在外圈积累较多应力。因此方形的尖角会造成边缘应力集中,在生产过程中极易破损,影响整体良率。

有细心的朋友可能会发现,为什么有的晶圆外圈是没有芯片的,而有的晶圆电路铺盘整片硅片,晶圆外圈也会出现不完整的芯片呢?

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晶圆外圈各不相同

图源 | 互联网

这其实和光刻中的光掩膜(Mask,或称遮光罩、光刻版)尺寸有关。光刻本质是让涂好光刻胶的硅片在特定光线(例如EUV极紫外光)下曝光,光线会在透过光掩膜后在晶圆表面留下所需要的电路图形。而光掩膜本身就是方形的,它由很多网格组成,每个方格叫做一个Shot,它是曝光的最小单位。Shot包括一个或多个Die与外围测试电路。Shot是方形的,所以Die也是方形的。光掩膜大小通常会覆盖晶圆的所有区域,因此在晶圆边缘处会出现不完整的小方格。此外,由于边缘效应,如果光刻后不制作周边电路,会对圈内外的材料密度产生影响,进而影响整体良率。

业内人士关于这一现象做出解释:“在芯片制造工艺中,晶圆是不断加厚的,尤其是后段的金属和通孔制作工艺,会用到多次CMP化学机械研磨过程。假如晶圆边沿没有图形,会造成边缘研磨速率过慢,带来的边沿和中心的高度差,在后续的研磨过程中又会影响相邻的完整芯片。所以,即便是作为dummy pattern(直译:假图案), 边沿的非完整shot 都需要正常曝光。”

 

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绿圈是晶圆面积,红圈内是可用部分

图源 | 知乎

不过晶圆外圈的芯片一般是不会用的。上文提到,由于生产流程的关系,晶圆外围一定会有一部分应力存在,在这里生产出来的芯片,内部同样会留存应力,后续的切割、封装、运输过程中也有更大的概率造成芯片损坏。所以,目前厂商在使用较大面积晶圆生产芯片时,都会选择在整片晶圆上铺满电路来提升良率,这也是有的晶圆外圈有芯片,有的没有的原因。

总的来说,圆形的晶圆更便于芯片制造,良率较高。既然用来制造芯片的晶圆不方便做成方形的,那为什么芯片不能做成圆形的呢?

圆形的芯片其实更难制造

硅片在经过涂胶、光刻、刻蚀、离子注入等步骤后,一颗颗芯片才会被制造出来,不过此时芯片还是“长”在晶圆上的,需要经过切割才能变成一颗颗单独的芯片。

想象一下,方形的芯片仅需几刀就可以全部切下。如果是圆形的芯片呢?恐怕就要耗费比方形几倍的时间来切割了。从封装方向看,方形的芯片也便于进行引线操作,即使是Flip chip型封装,方形也更方便机器操作芯片将I/O接口与焊盘对齐。

最重要的一点,圆形芯片并不能解决硅片面积浪费的问题。在一个晶圆上切下许多方形区域,这些区域中间不会有缝隙,仅会在晶圆边缘留下空余。但如果从一个平面上切下很多圆形的区域,中间就一定会有部分区域被浪费,同时还不能避免晶圆外围的浪费。

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圆形排列会有缝隙

图源 | ZWsoft

其实节约晶圆面积始终是一项重要课题。晶圆上能生产的芯片越多,生产效率就越高,单颗芯片的成本也越低。目前解决生产效率的最好方法就是提高晶圆面积,也就是我们熟悉的微积分。

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晶圆越大,空余面积越小

图源 | UEFIBlog

从图片中可以简单看出,当芯片面积固定时,采用更大的晶圆可以有效提升晶圆利用率。以国际上Fab厂通用的计算公式看:

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在12寸晶圆上生产100mm2的芯片约能生产660块芯片,而采用8寸晶圆,就只有180块芯片,晶圆面积减少50%,但芯片数量却少了72%。因此,目前12寸晶圆成为全球更大IDM与foundry厂商的主要战场。我国目前只有少量企业拥有12英寸的半导体硅片制造技术,国内企业正在加速追赶世界前列。

从晶圆利用率看,目前不可能有圆形的芯片了,但是真的存在方形的“晶圆”,不仅存在还很常见。

方形的光伏硅片

硅片除了可以制作芯片外,在光伏领域也是极其重要的部分。

光伏发电是利用硅片的光伏效应,将阳光辐射能直接转换为电能的发电形式。晶体硅的光伏效应多晶与单晶都适用,不过单晶硅晶体完整,光学和电学性质均一,机械强度更高,且光电转换更高效,所以单晶电池转换效率可以比多晶电池高2-3个百分点。

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太阳能电池板结构(电池片即为硅片)

图源 | 知乎

光伏单晶硅的制备过程的前期与芯片单晶硅相同,都是先将高纯硅加热至熔融态,再从中拉出一根单晶硅棒。切片前,光伏硅会先将硅棒切成长方体,这样硅片的横截面就变成方形了。采用方形的原因同样很简单,如果光伏电池是圆形的,多个电池排列成太阳能电池板中间就会出现空隙,降低了整体转化率。

与芯片相比,制造光伏板对硅纯度的要求要稍低,纯度标准只需要99.9999%,达不到制作芯片的99.999999999%。

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半导体硅片与光伏硅片区别

图源 | 恰基小组

总结

回答一下标题提出的问题,芯片为什么是方的?圆形芯片难以切割,后续封装阶段也不方便控制,最重要的是,圆形芯片不能解决晶圆面积浪费的问题。为什么晶圆是圆的?在生产芯片的过程中,圆形晶圆由于力学因素生产更方便,良率更高,且硅棒天然是圆柱型,晶圆自然也就是圆形了。不过在光伏领域,方形硅片在电池封装时不会浪费空间,所以光伏硅片采用方形。

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为什么芯片是方的,晶圆是圆的?

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