晶圆便是一块薄薄的、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构造,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)
面前这密密麻麻的元器件,被整整洁齐的安顿在一块单晶硅材料之上,都是规规矩矩、方方正正的。可见,晶圆在实际运用之中还是要被切割成方形的。
以是疑问️来了——硅片为什么要做成圆的?为什么是“晶圆”,而不做成“晶方”?
要阐明这个问题,有两方面的缘故原由:一方面彷佛是由“基因决定的”;另一方面是“环境造成的”。
“基因决定”——成长方法导致
若要回答这个问题,首先要说一个大约有100余年历史的缘故原由。。。
1918年,前苏联科学家切克劳斯基(Czochralski)建立起来一种晶体成长方法——直拉式晶体成长方法,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、单晶硅成长、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。这个阶段紧张是通过溶解、提纯、蒸馏等一系列方法得到多晶硅。
接下来是单晶硅成长工艺。便是从硅熔体中成长出单晶硅。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。利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。
末了一步是晶圆成型。单晶硅锭一样平常呈圆柱型,直径从3英寸到十几英寸不等。硅锭经由切片、抛光之后,就得到了单晶硅圆片,也即晶圆。
其成长过程分解如下图所示。
(来源:吴川的博客)
目前,直拉法是成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,在贝尔实验室事情的W·G·Pfann 最先萌生了“区域匀平”的动机,后来在亨利·休勒 、丹·多西等人的帮忙下,成长出了高纯度的锗以及硅单晶,并得到了专利。
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,使多晶棒料成长成一根单晶棒料,区熔法也须要籽晶,且终极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:水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者紧张用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶成长;后者紧张用于硅。
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, 随意马虎受到异物的玷污,以是难以找到适宜的器皿来盛方,自然水平区熔法不能用在硅的成长上啦。
(来源:百度百科)
区熔法与直拉法最大的不同之处在于:区熔法一样平常不该用坩锅,引入的杂质更少,成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,利用这种方法得到的单晶硅圆片自然也是圆形的了。便是下图这个样的——
(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末了,从熔融态里出来后,由于繁芜的流体力学事理,以及熔融态的硅迅速凝固而导致的。
“环境决定”——技能发展导致
实在,除了晶圆的成长方法决定的“晶圆”是圆形的这个缘故原由之外,还有以下3条其他的决定成分:
2⃣️有人打算过, 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,算算就知道正方形摧残浪费蹂躏的利用面积比率是比圆型高的。以是,圆形是等周永劫表面积做大的二维图形,加工时能够充分利用质料,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,这是晶圆制作工艺一定的哀求,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)得到很均匀同等的光刻胶涂层,但其它形状的晶圆呢?不可能或非常难,可以的话也是本钱很高。
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破坏,边角碎掉什么的造成材料损耗。
而且,请仔细回忆一下,你看到的晶圆是完备的圆的吗?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,为了减少摧残浪费蹂躏,只裁剪个圆形小口,叫做Notch。末了再进行切片,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?很随意马虎想到——定位。这样每片晶圆的晶向就能确定,在加工的时候也不随意马虎出错了。
以是,为什么“晶圆”没有方的???答案很大略,是一个历史遗留的问题,也是一个技能限定的问题。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)
那便是——太阳能电池所用的硅片。
来源:中国科学院半导体研究所
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