晶圆为什么是圆形的？

提拉法决定了晶圆是圆的。    

接触半导体行业的人，经常听到的一个词叫——晶圆，也常叫做Wafer。

晶圆为什么是圆形的

那就要从晶圆的制造工艺开始谈起了，我们知道制作晶圆的材料是硅，在自然界中硅元素有很多种形态，比如沙子是氧化硅，玻璃是硅酸盐。

要将日常生活中的砂子制作成半导体材料，需要将砂子中的硅元素提炼出来。

怎么提炼呢？

一个字——烧！

赤壁之战决定胜负的是火，芯片制造决定成败的也是火，古往今来，道理都是相通的。制造硅的原始材料是一种称为石英岩的高纯度硅砂(SiO2)。将硅砂与碳化硅混合熔炼得到固体硅：  

SiC+SiO2 → Si(固体)+SiO2(气体)+CO(气体)

这个时候硅的纯度还不高，需要进一步熔炼：

Si(固体)+3HC → SiHCl3(气体)+H2(气体)

第二步熔炼后可生成三氯硅烷，将三氯硅烷分解，产生超高纯度多晶硅棒(即包含许多不同大小及方向的单晶区域的硅材料)：

SiHCl3(气体)+H2(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)

经过这一系列操作烧来烧去，最后高纯硅是下面这样：

  这图片看上去像一个装满石头的装饰品，也不像晶圆啊。是的，我们现在得到的是多晶硅。多晶硅就像把不同形状的石头放在一个盆子里，石头有了不同的朝向，这个我们称为晶向（晶体方向）。我们在这些“小石头”里选一个我们需要长大晶体，这个小石头称作“籽晶”，正是有了籽晶的引导，后期晶体才会朝向我们需要的方向生长。在晶体生长方法中最常见的是柴可拉斯基法 (Czochralski technique)，也可以简单地叫做提拉法。提拉法生长晶圆的过程是这样的：

将装有多晶硅的坩埚，以高频感应或电阻丝加热至硅熔点(1412℃)。在生长过程中，坩埚保持转动，以避免产生局部热或冷的区域。晶体生长装置或称为拉晶仪的周围大气需加以严密控制，以避免熔融硅的污染。氩气常被作为保护气体。

下图是一张关于生长晶圆的设备介绍：

  如果嫌上面图片有点复杂，可以看下面这张，蓝色部分就是晶锭：

  如果觉得上面两张图都是英文，看不习惯，那就看下面这张图：  

  当硅的温度达到稳定状态时，将一个有适当方向(如晶向为〈111〉)的硅籽晶(seed)放入熔融硅中，作为后续生长较大晶体的起始点。当籽晶的底部开始在熔融硅中熔掉时，此时将籽晶的支撑往上拉起。当籽晶慢慢从液中拉起时，吸附在晶体上的熔融硅冷却或固化，依籽晶的晶体结构为样板循序生长。因此籽晶是晶锭生长的催生者，且决定晶体的生长方向。因为在坩埚内的籽晶是一边旋转一边生长，像家里做麦芽糖一样，一边旋转一边往前拉，最后生长出来的晶体就是圆柱体。下面图中黑色的就是晶锭，是一根圆柱形的硅棒。  

  支撑杆持续往上移动，使长出的晶锭越来越大。当坩埚中的熔融硅耗尽时，晶锭生长即大功告成。坩埚温度、坩埚和支撑的旋转速度须小心控制，以精确达到所需要的晶锭直径。如果将圆柱体的晶锭按需要的厚度切开，就成了一片一片的晶圆。下图为一直径200mm的硅晶锭(ingot)及切下来的硅晶圆片(Wafer)。切割下来的晶圆就是圆形。

 

  实际使用中，晶圆边缘会有一个缺口。因为圆形的晶圆没有方向，需要给晶圆里的每个小芯片定坐标标识，就会在晶圆边缘开一个口作为晶圆的基准。

审核编辑：黄飞