苹果搞胶水芯片这事，得“怪”晶圆太圆了

转载自微信公众号：差评（chaping321）

关注了咱们差评的小伙伴肯定还记得，上个月的时候我们讨论了一下苹果造的那颗胶水芯片 —— M1 Ultra 。

当时咱们说苹果的胶水芯片是一种妥协，因为一颗芯片越大，切割之后晶圆四周浪费的“ 边角料 ”就越多。

就好像是一刀 999 的切糕一样，这玩意要是白白浪费了绝对是浑身肉疼。

话说到这儿，我发现评论区就开始有小伙伴讨论起来了：

那为什么芯片要做成方的？做成三角形、六边形的，不就不会造成晶圆浪费了？？？

欸~，不得不说大家伙的想法都非常有创意呀，不过其实这样做反而会增加切割难度，对芯片的良品率造成影响。

到时候一核算成本，还不如浪费点边角料来的划算。

所以 “ 异形芯片 ” 的思路，其实是行不太通的。

不过这时候可能就要有小伙伴继续另辟蹊径了：

芯片为了保证好切保持方形不能变，那如果直接把底下的硅片做成方形的呢？

把“ 晶圆 ”变成“ 晶方 ”，切芯片的时候不也就没有浪费了嘛！

嗯。。。这个方法，说可行也行，说不行也不行。

但是要想把它讲明白，我得先问大家伙这么一个问题：

你们见过方形的黄瓜吗？

先有晶棒，才有晶圆

众所周知，芯片是由晶圆刻蚀的，而晶圆则是由高纯度的沙子。。。

哦不，高纯度的硅元素组成的。

对普通的石英砂进行一系列的高温还原反应，化学提纯反应后，我们可以得到下图这样的高纯度硅棒。

不过这还只是第一步，这样的硅棒由多晶硅构成，此时还不能用于生产晶圆。

就像这张图中间所示的那样，因为之前经过了各种粗犷的化学反应，内部的硅晶体结构框架不均匀。

单晶 多晶 不定 ▼

充满了各种不对称结构。

而为了消除这些不对称的内部紊乱，我们还需要对多晶硅处理，将其转变成可以用于芯片生产的结构稳定，电性能良好的单晶硅。

到了这一步，其实就是要生产正儿八经的晶圆了。

目前行业里常用的工艺叫做柴可拉斯基法，也有个非常形象通俗的名字 —— 直拉法，市场占比约为 95 %。咱们常见的逻辑芯片，存储芯片基本都是用这个方法生产出来的。

其中具体发生的具体变化，咱们可以在这张图中看个大概。

首先是将刚才得到的多晶硅放在石英中加热至熔融状态，然后再植入一颗单晶硅 “ 种子 ”。

这融化的硅溶液一碰到单晶硅种子，就可以在硅种子的尾部开始有序生长。

通过控制旋转的速度，和提拉的速率，我们就能得到不同宽度，不同长度的圆柱形单晶硅棒。

注意了！是旋转！

还是没什么概念的小伙伴，咱们想象一下路边的棉花糖摊。

拉晶棒的过程就和转棉花糖的起手式差不多。

也就是说，目前主流的单晶硅生产工艺，决定了硅棒大概率得是圆形。反正我是没见过方形的棉花糖。

至于再往后，就是把晶棒掐头去尾，侧边打磨光滑。

然后再像切香肠一样一点点切片，一张张晶圆的原材料，硅片就诞生了。

切完了，但是还没结束

其实到了这一步，关于晶圆形状的问题也没定死。

因为虽然直拉法是主流的单晶硅制造方案，但其实在它之外，也还有区熔法等方案，方形晶棒从理论上来说也还是有可能的。

但是为什么一定要用圆形？其实问题还要牵扯到更后续的设计工艺上来。

在我们抛光打磨完切片的硅片之后，为了正式光刻，还需要在上面涂抹光刻胶。

一般来说，光胶膜厚度在 0.5 ～ 1.5 um 不等，而均匀性必须要在正负 0.01 um 内才行。

这个精度，肯定不能靠我们手工来解决的。。。

现在行业里常用的方案是 “ 甩胶 ” 。即在中心处加入光刻胶，然后旋转晶圆片。

然后通过不断的控制转速来将胶质甩开，最终我们就可以得到均匀平层的光刻胶。

也就是说吧，如果咱把硅片做成方形再旋转的话，可能就是有的角落胶水堆积比较多，有的角落光刻胶就少了。

边角的均匀性一下子就大打折扣了，即使变成了方形，可边角这部分可能到最后还是得扔。。。

而且吧，除了光刻胶的问题，还有个更要命的事。

那就是在大家的 “约定俗成” 下，圆形硅片早就是行业标准了。

对应的光刻机、自动产线等等，都是基于“ 晶圆 ”的这个前提去设计的。

假如说现在有谁想整个方形的晶棒，他不仅仅要面对“拉出方形晶棒”的问题，还得把整个后续的产线重新翻新设计一番。

所以，晶圆可不可以做成方形的呢？可以，但不值。

严格来说，这并不浪费

照这么看，晶圆上那些 “ 浪费 ” 的区域看来是不得不存在了。

但是咱就是说，有没有一种可能，这个 “ 浪费 ” 的概念是咱们先入为主了。

有没有可能，晶圆的边缘部分，本身就应该被浪费掉呢？

其实啊是这么回事，在硅片生产的切割，倒角，打磨等一系列的过程中，硅片的边缘会积累下不少的边缘应力。

这就导致了，晶圆边缘的结构是相对脆弱的。

就算是把边缘区域都利用了起来做芯片，良品率也不太能得到保证。

所以说吧。。。别看晶圆做圆形，芯片做成方形。

但是某种意义上来讲，这两对组合还是非常般配的。

不过当然了，即使这么解释了一番，晶圆边缘内侧的区域也还是确确实实存在着一些浪费 —— 只不过浪费的区域没咱们想象的那么大了。

而假如真要把这一小部分的浪费解决掉，其实大家现在采用的方法都差不多。

那就是向微积分看齐。

把晶圆越做越大，芯片越做越小，这方形不就。。。拼起来像极了圆？

至于如何把晶圆给整大，又如何在保证性能的前提下把芯片做小，这种让人头大的问题，还是交给工程师来想办法吧。。。

撰文：小陈   编辑：面线   封面：萱萱

图片、资料来源：

https://www.britannica.com/technology/Czochralski-method

Why are processor wafers round?

From Sand to Silicon: the Making of a Chip | Intel ：https://www.youtube.com/watch?v=Q5paWn7bFg4

周扬民 | 西门子还原炉内传热及硅棒热电行为研究

Numerical Simulations of a 96-rod Polysilicon CVD Reactor

Die Per Wafer Estimator

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部分图片素材来自于互联网

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