为什么做CPU的“晶圆”不做成“晶方”?方形硅片不是产量更大吗

2020-01-14 11:09:31 29点赞 61收藏 13评论

创作立场声明:Tony哥的PC日常

你是否一想到晶圆周围被切掉的芯片就好心疼?

在制作CPU、GPU或者内存固态硬盘芯片时,每一张晶圆的边角部分都被“无情地”切掉了好多(下图):



箭头所指处,红圈内的Die(IC晶片)由于并不完整,因此都将被切掉废弃箭头所指处,红圈内的Die(IC晶片)由于并不完整,因此都将被切掉废弃

联想到Intel当前紧俏的14nm产能(台积电的7nm其实也不够用),每一张晶圆上被切掉的这些Die简直是惨无人道的浪费啊!为何不把“晶圆”做成方形,“晶方”对于IC业来说才是最完美的空间利用法则啊(比如下图):



如果使用方形硅基晶片,是不是就可以生产出“毫无浪费”的晶体基板了?如果使用方形硅基晶片,是不是就可以生产出“毫无浪费”的晶体基板了?

然而,理想是丰满的,现实是残酷的~ 这一切,还要从“晶圆”的诞生谈起。为什么做CPU的“晶圆”不做成“晶方”?方形硅片不是产量更大吗 

晶圆合理性之一:硅碇(ingot)生成法则

从砂子变为CPU晶片的旅程中,第一步就是将高纯度硅晶材料,变为适合进行“印刷”的芯片硅基板材。这里,我们要感谢一位科技大咖——丘克拉斯基(J.Czochralski):



丘克拉斯基(J.Czochralski)发明的提拉法,可以低成本制造人工无色蓝宝石、红宝石等多种宝石晶体丘克拉斯基(J.Czochralski)发明的提拉法,可以低成本制造人工无色蓝宝石、红宝石等多种宝石晶体

对于芯片行业来说,人造宝石的诱惑力当然是不够的~为什么做CPU的“晶圆”不做成“晶方”?方形硅片不是产量更大吗 

工程师们完善了丘克拉斯基的提拉法,将硅晶材料(籽晶)置于籽晶杆上,在石英坩埚中加热(约1000摄氏度以上),加热过程中还需注入适当比例的惰性气体(而非单纯的空气),以便于多晶硅融化且不和空气中的杂质产生化学反应。途中根据籽晶表面熔融状态提拉并转动籽晶杆,使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上(即硅晶生长过程),最终从坩埚的熔体中拉制出具有截面形状的硅晶体柱——硅碇(ingot):



丘克拉斯基于1917年发明的“提拉法”(Czochralski method),成为当代芯片制造业的奠基石丘克拉斯基于1917年发明的“提拉法”(Czochralski method),成为当代芯片制造业的奠基石

如果看到上述提拉法制造硅碇的生长(制作)过程有些复杂,没关系,相信下面这张动图能让你豁然开朗:



简单来说,制作圆柱形硅碇的“手艺”,和千百年来加热拉制玻璃的手法有异曲同工之妙简单来说,制作圆柱形硅碇的“手艺”,和千百年来加热拉制玻璃的手法有异曲同工之妙

在转动籽晶杆、拉伸籽晶熔融体的过程中,圆柱形的硅碇就被制作出来了:



转动-拉伸,籽晶变为硅碇柱的过程,由此而来转动-拉伸,籽晶变为硅碇柱的过程,由此而来

因此,只要是拉伸法制造硅碇的规则不变,那么硅晶圆的基础形状自然也不会改变了。

晶圆合理性之二:圆形更适合硅晶基板的切片、打磨、抛光过程

硅碇制作完毕之后,就要把它切割成薄薄的晶圆切片,并进行打磨抛光等预处理,然后才能进入后期的光刻流程:

第一:硅碇的金刚石砂线切片流程更适合圆形底材



芯片诞生之旅:由金刚线(高强度碳基复合材料)将圆柱形硅碇切割为一片片晶圆芯片诞生之旅:由金刚线(高强度碳基复合材料)将圆柱形硅碇切割为一片片晶圆

上图是Intel在十年前制作的酷睿诞生之旅短片截图,动画里是用一根锯片切割硅碇圆柱体制作晶圆,而这只是为了动画效果,实际上,硅碇是由金刚线切割而成:



一款常见的金刚线硅晶体切片机(看起来是不是复杂了很多?)一款常见的金刚线硅晶体切片机(看起来是不是复杂了很多?)

再来一张图,更直观一些(图为制作太阳能硅片的金刚石砂线切片机)再来一张图,更直观一些(图为制作太阳能硅片的金刚石砂线切片机)

由此可见,圆柱形的硅碇,更适合均匀、快速、完整地被金刚石砂线切片机切割成片。如果把晶圆做成“晶方”。恐怕金刚石砂线的损耗率以及方形硅碇柱体的受力破损情况将突破天际了~

第二:晶圆比“晶方”更能承受打磨、抛光锻炼

金刚石砂线切片之后,硅晶切片(晶圆)表面肯定是粗糙不堪的。因此要进入打磨、抛光流程。显而易见的,将一块薄薄的方形“玻璃”,置入高速旋转、震动的打磨抛光环境之中,边角受损概率将会多高~



圆形几何体在制作过程中具备更强的“抗性”圆形几何体在制作过程中具备更强的“抗性”

第三:晶圆更便于储存及运

制作好的晶圆材料需要储存和运输,以便于给不同IC企业制造相应的产品。这时,晶圆比“晶方”的优势再次体现出来:



圆形材料受力均匀,便于储藏及运输,极端情况下比方形材料更富耐久性和材料强度圆形材料受力均匀,便于储藏及运输,极端情况下比方形材料更富耐久性和材料强度

结语

以上这几点当然不能代表晶圆合理性的全部范畴,仅以广大读者方便理解的角度简要说明。实际上,在晶圆的光刻过程中,还有非常繁琐、复杂的流程参与,而且晶圆的形状还会相应被改变:



我们现在看到的绝大多数“晶圆”,实际上都不是正圆形(如箭头所指处平行切边)我们现在看到的绝大多数“晶圆”,实际上都不是正圆形(如箭头所指处平行切边)

除此之外,还有其他切割形状:



注意上图,晶圆边缘处有小型缺口注意上图,晶圆边缘处有小型缺口

这些细节变化基本都是在晶圆进行最终的光刻工艺之前完成的,主要目的则是便于光刻生产时的晶圆定位、测试等等:


为什么做CPU的“晶圆”不做成“晶方”?方形硅片不是产量更大吗

当然了,方形硅基底材也是有的,但它依然是从圆柱形硅碇中切割而来,并不能直接由熔炉将籽晶生成完美的硅晶立方柱:


为什么做CPU的“晶圆”不做成“晶方”?方形硅片不是产量更大吗

好了,以上就是本期数码小科普的内容。相信以后如果再有人问道:“为何晶圆不做成方形的?”读者们应该知道答案啦~ 感谢阅读本期内容,我们下期再见!ヾ(•ω•`)o~

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