晶圓為什么是圓形的？

提拉法決定了晶圓是圓的。

接觸半導(dǎo)體行業(yè)的人，經(jīng)常聽到的一個詞叫——晶圓，也常叫做Wafer。

晶圓為什么是圓形的

那就要從晶圓的制造工藝開始談起了，我們知道制作晶圓的材料是硅，在自然界中硅元素有很多種形態(tài)，比如沙子是氧化硅，玻璃是硅酸鹽。

要將日常生活中的砂子制作成半導(dǎo)體材料，需要將砂子中的硅元素提煉出來。

怎么提煉呢？

一個字——燒！

赤壁之戰(zhàn)決定勝負的是火，芯片制造決定成敗的也是火，古往今來，道理都是相通的。制造硅的原始材料是一種稱為石英巖的高純度硅砂(SiO2)。將硅砂與碳化硅混合熔煉得到固體硅：

SiC+SiO2 → Si(固體)+SiO2(氣體)+CO(氣體)

這個時候硅的純度還不高，需要進一步熔煉：

Si(固體)+3HC → SiHCl3(氣體)+H2(氣體)

第二步熔煉后可生成三氯硅烷，將三氯硅烷分解，產(chǎn)生超高純度多晶硅棒(即包含許多不同大小及方向的單晶區(qū)域的硅材料)：

SiHCl3(氣體)+H2(氣體)→Si(固體)+3HCl(氣體)

經(jīng)過這一系列操作燒來燒去，最后高純硅是下面這樣：

這圖片看上去像一個裝滿石頭的裝飾品，也不像晶圓啊。是的，我們現(xiàn)在得到的是多晶硅。多晶硅就像把不同形狀的石頭放在一個盆子里，石頭有了不同的朝向，這個我們稱為晶向（晶體方向）。我們在這些“小石頭”里選一個我們需要長大晶體，這個小石頭稱作“籽晶”，正是有了籽晶的引導(dǎo)，后期晶體才會朝向我們需要的方向生長。在晶體生長方法中最常見的是柴可拉斯基法 (Czochralski technique)，也可以簡單地叫做提拉法。提拉法生長晶圓的過程是這樣的：

將裝有多晶硅的坩堝，以高頻感應(yīng)或電阻絲加熱至硅熔點(1412℃)。在生長過程中，坩堝保持轉(zhuǎn)動，以避免產(chǎn)生局部熱或冷的區(qū)域。晶體生長裝置或稱為拉晶儀的周圍大氣需加以嚴(yán)密控制，以避免熔融硅的污染。氬氣常被作為保護氣體。

下圖是一張關(guān)于生長晶圓的設(shè)備介紹：

如果嫌上面圖片有點復(fù)雜，可以看下面這張，藍色部分就是晶錠：

如果覺得上面兩張圖都是英文，看不習(xí)慣，那就看下面這張圖：

當(dāng)硅的溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，將一個有適當(dāng)方向(如晶向為〈111〉)的硅籽晶(seed)放入熔融硅中，作為后續(xù)生長較大晶體的起始點。當(dāng)籽晶的底部開始在熔融硅中熔掉時，此時將籽晶的支撐往上拉起。當(dāng)籽晶慢慢從液中拉起時，吸附在晶體上的熔融硅冷卻或固化，依籽晶的晶體結(jié)構(gòu)為樣板循序生長。因此籽晶是晶錠生長的催生者，且決定晶體的生長方向。因為在坩堝內(nèi)的籽晶是一邊旋轉(zhuǎn)一邊生長，像家里做麥芽糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊往前拉，最后生長出來的晶體就是圓柱體。下面圖中黑色的就是晶錠，是一根圓柱形的硅棒。

支撐桿持續(xù)往上移動，使長出的晶錠越來越大。當(dāng)坩堝中的熔融硅耗盡時，晶錠生長即大功告成。坩堝溫度、坩堝和支撐的旋轉(zhuǎn)速度須小心控制，以精確達到所需要的晶錠直徑。如果將圓柱體的晶錠按需要的厚度切開，就成了一片一片的晶圓。下圖為一直徑200mm的硅晶錠(ingot)及切下來的硅晶圓片(Wafer)。切割下來的晶圓就是圓形。

實際使用中，晶圓邊緣會有一個缺口。因為圓形的晶圓沒有方向，需要給晶圓里的每個小芯片定坐標(biāo)標(biāo)識，就會在晶圓邊緣開一個口作為晶圓的基準(zhǔn)。

審核編輯：黃飛