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2019年04月17日 | 为什么硅片不是方的？
2019-04-17 来源：半导体行业观察
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”。
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：水平区熔法和立式悬浮区熔法。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。
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)
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