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晶圆为什么是圆形的?

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在一些有关产业链的新闻(特别是有关台积电这种代工厂的)中大家经常会看到下面这张图片,越来越多的读者也知道了这个东西叫做晶圆,虽然我们不会直接的接触到它,但是我们平常能见到的CPU和GPU裸Die则都是由这个东西切割后而来的,由于其形状为圆形,故称为晶圆。

那么晶圆为什么是圆形而不是矩形的呢?特别是我们见到的CPU和GPU裸Die都是矩形,如果晶圆不是圆形而是矩形岂不是理论上可以完全无浪费的切割成小片,不是更好吗?

这需要从晶圆的制造过程说起。

在将二氧化硅矿石与炭混合经由加热发生氧化还原反应之后,就可以得到粗硅了,但是这时候得到的粗硅纯度还不能用于制作集成电路。接下来把粗硅经盐酸氯化并经蒸馏后则可以进一步得到纯度更高的多晶硅,再接下来就有一个很重要的获取单晶材料的晶体生长方法了,它被称为柴可拉斯基法,是目前主要的获取单晶材料的晶体生长方法,利用它可以将多晶硅变成单晶硅。

柴可拉斯基法示意图

做法是将前面得到的多晶硅熔解,将晶种(或称"籽晶")置于一根精确定向的棒的末端,并使末端浸入熔融状态的硅。然后,将棒缓慢地向上提拉,同时进行旋转。对棒的温度梯度、提拉速率、旋转速率进行精确控制,那么就可以在棒的末端得到一根较大的、圆柱体状(确切的说是像两头削尖了的铅笔的形状)的单晶硅晶棒。

英特尔博物馆展示的单晶硅晶棒

硅晶棒再经过切片、研磨、抛光后,即成为集成电路芯片的基本原料——硅晶圆片,就是"晶圆"。它经由圆柱体切片而来,所以是圆形。

晶圆是圆形主要是因为集成电路芯片需要单晶硅,而实现单晶硅主要靠柴可拉斯基法,大家可以记住这个方法的名称,它得名于波兰科学家扬·柴可拉斯基,他是于1916年研究金属的结晶速率时,发明了这种方法。现在,柴可拉斯基法已经演变为钢铁工厂的标准制程之一。


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