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(tīng)到的一個(gè)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(kāi)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(lái)。

怎么提煉呢？

一個(gè)字——燒！

赤壁之戰(zhàn)決定勝負(fù)的是火，芯片制造決定成敗的也是火，古往今來(lái)，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(gè)時(shí)候硅的純度還不高，需要進(jìn)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(guò)這一系列操作燒來(lái)燒去，最后高純硅是下面這樣：

這圖片看上去像一個(gè)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(gè)盆子里，石頭有了不同的朝向，這個(gè)我們稱為晶向（晶體方向）。我們?cè)谶@些“小石頭”里選一個(gè)我們需要長(zhǎng)大晶體，這個(gè)小石頭稱作“籽晶”，正是有了籽晶的引導(dǎo)，后期晶體才會(huì)朝向我們需要的方向生長(zhǎng)。在晶體生長(zhǎng)方法中最常見(jiàn)的是柴可拉斯基法 (Czochralski technique)，也可以簡(jiǎn)單地叫做提拉法。提拉法生長(zhǎng)晶圓的過(guò)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(diǎn)(1412℃)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，坩堝保持轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免產(chǎn)生局部熱或冷的區(qū)域。晶體生長(zhǎng)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(hù)氣體。

下圖是一張關(guān)于生長(zhǎng)晶圓的設(shè)備介紹：

如果嫌上面圖片有點(diǎn)復(fù)雜，可以看下面這張，藍(lán)色部分就是晶錠：

如果覺(jué)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將一個(gè)有適當(dāng)方向(如晶向?yàn)椤?11〉)的硅籽晶(seed)放入熔融硅中，作為后續(xù)生長(zhǎng)較大晶體的起始點(diǎn)。當(dāng)籽晶的底部開(kāi)始在熔融硅中熔掉時(shí)，此時(shí)將籽晶的支撐往上拉起。當(dāng)籽晶慢慢從液中拉起時(shí)，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(zhǎng)。因此籽晶是晶錠生長(zhǎng)的催生者，且決定晶體的生長(zhǎng)方向。因?yàn)樵谯釄鍍?nèi)的籽晶是一邊旋轉(zhuǎn)一邊生長(zhǎng)，像家里做麥芽糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊往前拉，最后生長(zhǎng)出來(lái)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(dòng)，使長(zhǎng)出的晶錠越來(lái)越大。當(dāng)坩堝中的熔融硅耗盡時(shí)，晶錠生長(zhǎng)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(dá)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(kāi)，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(lái)的硅晶圓片(Wafer)。切割下來(lái)的晶圓就是圓形。

實(shí)際使用中，晶圓邊緣會(huì)有一個(gè)缺口。因?yàn)閳A形的晶圓沒(méi)有方向，需要給晶圓里的每個(gè)小芯片定坐標(biāo)標(biāo)識(shí)，就會(huì)在晶圓邊緣開(kāi)一個(gè)口作為晶圓的基準(zhǔn)。

審核編輯：黃飛