晶圆为什么是圆不是方,又为什么有个缺口?
来源:“世界先进制造技术论坛”公众号 浏览次数: 发表日期:2021-04-21

为什么晶圆是晶圆不是晶方?圆形的wafer里面方形的Die,总是不可避免有些区域浪费了。

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图1:圆形的wafer&方形的Die

为什么晶圆是圆形的?

简单的说硅晶片是这样来的:精挑细选且提纯过后的高纯度多晶硅是在一个籽晶(seed)上旋转生长出来后切成的片片。简化的流程如下所述:

首先是硅提纯,将沙石原料放入一个温度约为2000℃,并且有碳源存在的电弧熔炉中,在高温下,碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应(碳与氧结合,剩下硅),得到纯度约为98%的纯硅,又称作冶金级硅,这对微电子器件来说不够纯,因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此对冶金级硅进行进一步提纯:将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%,成为电子级硅,我想这大概是地球上最纯的物质之一。

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图2:一切要精挑细选的石英砂开始

随后将纯化后的多晶硅被融化后放入一个坩埚(Quartz Crucible)中,再将籽晶放入坩埚中匀速转动并且向上提拉,则熔融的硅会沿着子晶向长成一个圆柱体的硅锭(ingot)。这种方法就是现在一直在用的CZ法(Czochralski),也叫单晶直拉法。单晶直拉法工艺中的旋转提拉决定了硅锭的圆柱型,从而决定晶圆是圆形的。

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图3:熔融提拉过程

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图4:拉好的单晶硅

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图5:随后硅锭在经过金刚线切割变成硅片

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图6:晶圆

晶圆的尺寸

硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。理论上来说硅晶圆尺寸越大越好,这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如,同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心,而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心,300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍,出产的处理器个数却是后者的2.385倍,并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少。理论上来说,晶片(wafer)越做越大是为了--降低芯片的单位成本!但晶圆越大,对拉晶对速度与温度的要求越高,同时晶片越大控制缺陷也越困难,因此做出高品质12寸晶圆的技术难度比8寸晶圆更高。

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图7:晶圆尺寸发展

晶圆也不是很圆!

其实晶圆并不是很圆,它是有点小缺口的,那是因为制备流程中有个叫“Flat/Notch Grinning”步骤前面说明时被隐去了。

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图8:晶片上的Flat&Notch

小缺口在硅锭做出来后就要进行了。在200mm以下的硅锭上是切割一个平角,叫做Flat(平槽)。在200mm(含)以上硅锭上,为了减少浪费,只裁剪个圆形小口,叫做Notch(V槽)。在切片后晶圆就变成了这样:

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图9:12寸硅片Notch(V槽)

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图10:6寸硅片Flat(平槽)

开槽步骤存在的意义在于可以帮助后续工序确定Wafer的摆放位置,便于定位及标明单晶生长的晶向。对后续的切割及测试都比较方便,而且切割位置在边缘,大多也是本不能用的区域。



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