關注了咱們差評的小夥伴肯定還記得,上個月的時候我們讨論了一下蘋果造的那顆膠水芯片 —— M1 Ultra 。
當時咱們說蘋果的膠水芯片是一種妥協,因為一顆芯片越大,切割之後晶圓四周浪費的“ 邊角料 ”就越多。
就好像是一刀 999 的切糕一樣,這玩意要是白白浪費了絕對是渾身肉疼。
話說到這兒,我發現評論區就開始有小夥伴讨論起來了:
那為什麼芯片要做成方的?做成三角形、六邊形的,不就不會造成晶圓浪費了???
欸~,不得不說大家夥的想法都非常有創意呀,不過其實這樣做反而會增加切割難度,對芯片的良品率造成影響。
到時候一核算成本,還不如浪費點邊角料來的劃算。
所以 “ 異形芯片 ” 的思路,其實是行不太通的。
不過這時候可能就要有小夥伴繼續另辟蹊徑了:
芯片為了保證好切保持方形不能變,那如果直接把底下的矽片做成方形的呢?
把“ 晶圓 ”變成“ 晶方 ”,切芯片的時候不也就沒有浪費了嘛!
嗯。。。這個方法,說可行也行,說不行也不行。
但是要想把它講明白,我得先問大家夥這麼一個問題:
你們見過方形的黃瓜嗎?
>/ 先有晶棒,才有晶圓
衆所周知,芯片是由晶圓刻蝕的,而晶圓則是由高純度的沙子。。。
哦不,高純度的矽元素組成的。
對普通的石英砂進行一系列的高溫還原反應,化學提純反應後,我們可以得到下圖這樣的高純度矽棒。
不過這還隻是第一步,這樣的矽棒由多晶矽構成,此時還不能用于生産晶圓。
就像這張圖中間所示的那樣,因為之前經過了各種粗犷的化學反應,内部的矽晶體結構框架不均勻。
單晶 多晶 不定 ▼
充滿了各種不對稱結構。
而為了消除這些不對稱的内部紊亂,我們還需要對多晶矽處理,将其轉變成可以用于芯片生産的結構穩定,電性能良好的單晶矽。
到了這一步,其實就是要生産正兒八經的晶圓了。
目前行業裡常用的工藝叫做柴可拉斯基法,也有個非常形象通俗的名字 —— 直拉法,市場占比約為 95 %。咱們常見的邏輯芯片,存儲芯片基本都是用這個方法生産出來的。
其中具體發生的具體變化,咱們可以在這張圖中看個大概。
首先是将剛才得到的多晶矽放在石英中加熱至熔融狀态,然後再植入一顆單晶矽 “ 種子 ”。
這融化的矽溶液一碰到單晶矽種子,就可以在矽種子的尾部開始有序生長。
通過控制旋轉的速度,和提拉的速率,我們就能得到不同寬度,不同長度的圓柱形單晶矽棒。
注意了!是旋轉!
還是沒什麼概念的小夥伴,咱們想象一下路邊的棉花糖攤。
拉晶棒的過程就和轉棉花糖的起手式差不多。
也就是說,目前主流的單晶矽生産工藝,決定了矽棒大概率得是圓形。反正我是沒見過方形的棉花糖。
至于再往後,就是把晶棒掐頭去尾,側邊打磨光滑。
然後再像切香腸一樣一點點切片,一張張晶圓的原材料,矽片就誕生了。
>/ 切完了,但是還沒結束?
其實到了這一步,關于晶圓形狀的問題也沒定死。
因為雖然直拉法是主流的單晶矽制造方案,但其實在它之外,也還有區熔法等方案,方形晶棒從理論上來說也還是有可能的。
但是為什麼一定要用圓形?其實問題還要牽扯到更後續的設計工藝上來。
在我們抛光打磨完切片的矽片之後,為了正式光刻,還需要在上面塗抹光刻膠。
一般來說,光膠膜厚度在 0.5 ~ 1.5 um 不等,而均勻性必須要在正負 0.01 um 内才行。
這個精度,肯定不能靠我們手工來解決的。。。
現在行業裡常用的方案是 “ 甩膠 ” 。即在中心處加入光刻膠,然後旋轉晶圓片。
然後通過不斷的控制轉速來将膠質甩開,最終我們就可以得到均勻平層的光刻膠。
也就是說吧,如果咱把矽片做成方形再旋轉的話,可能就是有的角落膠水堆積比較多,有的角落光刻膠就少了。
邊角的均勻性一下子就大打折扣了,即使變成了方形,可邊角這部分可能到最後還是得扔。。。
而且吧,除了光刻膠的問題,還有個更要命的事。
那就是在大家的 “約定俗成” 下,圓形矽片早就是行業标準了。
對應的光刻機、自動産線等等,都是基于“ 晶圓 ”的這個前提去設計的。
假如說現在有誰想整個方形的晶棒,他不僅僅要面對“拉出方形晶棒”的問題,還得把整個後續的産線重新翻新設計一番。
所以,晶圓可不可以做成方形的呢?可以,但不值。
>/ 嚴格來說,這并不浪費
照這麼看,晶圓上那些 “ 浪費 ” 的區域看來是不得不存在了。
但是咱就是說,有沒有一種可能,這個 “ 浪費 ” 的概念是咱們先入為主了。
有沒有可能,晶圓的邊緣部分,本身就應該被浪費掉呢?
其實啊是這麼回事,在矽片生産的切割,倒角,打磨等一系列的過程中,矽片的邊緣會積累下不少的邊緣應力。
這就導緻了,晶圓邊緣的結構是相對脆弱的。
就算是把邊緣區域都利用了起來做芯片,良品率也不太能得到保證。
所以說吧。。。别看晶圓做圓形,芯片做成方形。
但是某種意義上來講,這兩對組合還是非常般配的。
不過當然了,即使這麼解釋了一番,晶圓邊緣内側的區域也還是确确實實存在着一些浪費 —— 隻不過浪費的區域沒咱們想象的那麼大了。
而假如真要把這一小部分的浪費解決掉,其實大家現在采用的方法都差不多。
那就是向微積分看齊。
把晶圓越做越大,芯片越做越小,這方形不就。。。拼起來像極了圓?
至于如何把晶圓給整大,又如何在保證性能的前提下把芯片做小,這種讓人頭大的問題,還是交給工程師來想辦法吧。。。
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