circuit

集成电路领域，为什么到处是晶圆？

在半导体行业，尤其是集成电路领域，晶圆的身影随处可见。

晶圆就是一块薄薄的、圆形的高纯硅晶片，而在这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件结构，使之成为有特定电性功能的集成电路产品。

说到集成电路（integrated circuit，IC），或者实物，或者图片，大家都见过，如下图所示：

眼前这密密麻麻的元器件，被整整齐齐的安放在一块单晶硅材料之上，都是规规矩矩、方方正正的。可见，晶圆在实际应用之中还是要被切割成方形的。

所以疑问️来了——硅片为什么要做成圆的？ 为什么是“晶圆”，而不做成“晶方”？

要解释这个问题，有两方面的原因：一方面似乎是由“基因决定的”；另一方面是“环境造成的”。

“基因决定”——生长方法导致

若要回答这个问题，首先要说一个大约有100余年历史的原因。。。

1918年，前苏联科学家切克劳斯基（Czochralski）建立起来一种晶体生长方法——直拉式晶体生长方法，简称CZ法。

硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅砂的提纯及熔炼。这个阶段主要是通过溶解、提纯、蒸馏等一系列措施得到多晶硅。

接下来是单晶硅生长工艺。就是从硅熔体中生长出单晶硅。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，在保护性气氛中高温加热使其熔化。使用一颗小的籽晶缓慢地从旋转着的熔体中缓慢上升，即可垂直拉制出大直径的单晶硅锭。

最后一步是晶圆成型。单晶硅锭一般呈圆柱型，直径从3英寸到十几英寸不等。硅锭经过切片、抛光之后，就得到了单晶硅圆片，也即晶圆。

其生长过程分解如下图所示。

目前，直拉法是生长晶圆最常用的方法了，除了直拉法之外，常用的方法还有区熔法。

区熔法，简称Fz法。1939年，在贝尔实验室工作的W·G·Pfann 最先萌生了“区域匀平”的念头，后来在亨利·休勒 、丹·多西等人的协助下，生长出了高纯度的锗以及硅单晶，并获得了专利。

这种方法是利用热能在半导体多晶棒料的一端产生一熔区，使其重结晶为单晶。使熔区沿一定方向缓慢地向棒的另一端移动，进而通过整根棒料，使多晶棒料生长成一根单晶棒料，区熔法也需要籽晶，且最终得到的柱状单晶锭晶向与籽晶的相同。

区熔法分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长；后者主要用于硅。

为什么有横着和竖着长的不同捏？这是由于硅的熔点高，化学性能活泼， 容易受到异物的玷污，所以难以找到适合的器皿来盛方，自然水平区熔法不能用在硅的生长上啦。

区熔法与直拉法最大的不同之处在于：区熔法一般不使用坩锅，引入的杂质更少，生长的材料杂质含量也就更少。

总而言之，单晶硅棒是圆柱形的，使用这种方法得到的单晶硅圆片自然也是圆形的了。就是下图这个样的——

你知道是两头的尖尖是如何造成的吗？Bingo，图左的尖尖是籽晶，图右的尖尖是晶棒长到最后，从熔融态里出来后，由于复杂的流体力学原理，以及熔融态的硅迅速凝固而导致的。

“环境决定”——技术发展导致

其实，除了晶圆的生长方法决定的“晶圆”是圆形的这个原因之外，还有以下3条其他的决定因素：

2⃣️有人计算过， 比较直径为L毫米的圆和边长为L毫米的正方形，考虑晶圆制造过程中边缘5到8毫米是不可利用的，算算就知道正方形浪费的使用面积比率是比圆型高的。所以，圆形是等周长时表面积做大的二维图形，加工时能够充分利用原料，在一片晶圆上能分出最多的芯片。

3⃣️在实际的加工制成当中，圆形的物体比较便于生产操作。圆型具有任意轴对称性,这是晶圆制作工艺必然的要求，可以想象一下，在圆型晶圆表面可以通过旋转涂布法(spin coating，事实上是目前均匀涂布光刻胶的唯一方法)获得很均匀一致的光刻胶涂层，但其它形状的晶圆呢？不可能或非常难，可以的话也是成本很高。

4⃣️作为圆柱的单晶硅晶锭更便于运输，有效的避免了在运输途中磕碰损坏，边角碎掉什么的造成材料损耗。

而且，请仔细回想一下，你看到的晶圆是完全的圆的吗？非也！请看下图：

在硅棒做出来后，在200mm以下的硅棒上是切割一个平角，叫Flat。在200mm（含）以上硅棒上，为了减少浪费，只裁剪个圆形小口，叫做Notch。最后再进行切片，得到的晶圆如下。

那么，这个小豁口是做什么用的呢？很容易想到——定位。这样每片晶圆的晶向就能确定，在加工的时候也不容易出错了。

所以，为什么“晶圆”没有方的？？？答案很简单，是一个历史遗留的问题，也是一个技术限制的问题。而且，真的没有必要做出来正方的硅片呢～

不过，不过，真的有方形的硅片存在呢～看下图～～

那就是——太阳能电池所用的硅片。

单词联想circle circus circuit

circle

英 /ˈsɜːk(ə)l/ 美 /ˈsɜːrkl/ 全球(美国)

n. 圆，圆形物；圈子，阶层；弧形楼座；黑眼圈；循环，周期

v. 盘旋，环行；围绕，圈起

The children stood in a circle.

孩子们站成一圈。

He has a small circle of friends.

The axis of a circle is its diameter.

圆的对称中心线就是直径。

circus

英 /ˈsɜːkəs/ 美 /ˈsɜːrkəs/ 全球(美国)

n. 马戏团，马戏演员；马戏表演；乱哄哄的人群，热闹的场面；圆形广场，环形交叉口；（古罗马）露天圆形竞技场

My dad took me to the circus.

我爸爸带我去看马戏。

circuit

英 /ˈsɜːkɪt/ 美 /ˈsɜːrkɪt/ 全球(美国)

n. 电路，回路；巡回活动，巡回地；环道，环线；巡回赛；赛车道；（英国）巡回审判区，巡回上诉法院；（一套）体操动作；统一经营的连锁剧院（或影院）

v. （绕……）环行

Fewer workers are needed to solder circuit boards.

焊接电路板需要较少的工人。

The fire was started by an electrical short-circuit.

火灾是由电线短路引发的。

The switches close the contacts and complete the circuit.

这些开关可接通形成闭合电路。

circumstance

英 /ˈsɜːkəmstəns/ 美 /ˈsɜːrkəmstæns/ 全球(加拿大)

n. 条件，情况，环境；境况，经济状况；详情，原委；命运，境遇

v. 处于某种情况

I know I can trust her in any circumstance.

我知道我在任何情况下都能信任她。

In every moment and every circumstance, you can choose to have fuller, richer life by setting a clear intention.

在任何时刻、在任何情况下，你都可以通过设定一个明确的目标来选择更充实、更丰富的生活