蘋果華為都在搞膠水芯片，這事得怪晶圓太圓了_風聞

本文原創於微信公眾號：差評  作者：差評君

關注了咱們差評的小夥伴肯定還記得，上個月的時候我們討論了一下蘋果造的那顆膠水芯片 —— M1 Ultra 。

當時咱們説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。

話説到這兒，我發現評論區就開始有小夥伴討論起來了：

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~，不得不説大傢伙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划算。

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闢蹊徑了：

芯片為了保證好切保持方形不能變，那如果直接把底下的硅片做成方形的呢？

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，説可行也行，説不行也不行。

但是要想把它講明白，我得先問大傢伙這麼一個問題：

你們見過方形的黃瓜嗎？

>/ 先有晶棒，才有晶圓

眾所周知，芯片是由晶圓刻蝕的，而晶圓則是由高純度的沙子。。。

哦不，高純度的硅元素組成的。

對普通的石英砂進行一系列的高温還原反應，化學提純反應後，我們可以得到下圖這樣的高純度硅棒。

不過這還只是第一步，這樣的硅棒由多晶硅構成，此時還不能用於生產晶圓。

就像這張圖中間所示的那樣，因為之前經過了各種粗獷的化學反應，內部的硅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內部紊亂，我們還需要對多晶硅處理，將其轉變成可以用於芯片生產的結構穩定，電性能良好的單晶硅。

到了這一步，其實就是要生產正兒八經的晶圓了。

目前行業裏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，市場佔比約為 95 %。咱們常見的邏輯芯片，存儲芯片基本都是用這個方法生產出來的。

其中具體發生的具體變化，咱們可以在這張圖中看個大概。

首先是將剛才得到的多晶硅放在石英中加熱至熔融狀態，然後再植入一顆單晶硅 “ 種子 ”。

這融化的硅溶液一碰到單晶硅種子，就可以在硅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硅棒。

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。

也就是説，目前主流的單晶硅生產工藝，決定了硅棒大概率得是圓形。反正我是沒見過方形的棉花糖。

至於再往後，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，硅片就誕生了。

>/ 切完了，但是還沒結束？

其實到了這一步，關於晶圓形狀的問題也沒定死。

因為雖然直拉法是主流的單晶硅製造方案，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説也還是有可能的。

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。

在我們拋光打磨完切片的硅片之後，為了正式光刻，還需要在上面塗抹光刻膠。

一般來説，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 內才行。

這個精度，肯定不能靠我們手工來解決的。。。

現在行業裏常用的方案是 “ 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將膠質甩開，最終我們就可以得到均勻平層的光刻膠。

也就是説吧，如果咱把硅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，圓形硅片早就是行業標準了。

對應的光刻機、自動產線等等，都是基於“ 晶圓 ”的這個前提去設計的。

假如説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，還得把整個後續的產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。

>/ 嚴格來説，這並不浪費

照這麼看，晶圓上那些 “ 浪費 ” 的區域看來是不得不存在了。

但是咱就是説，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，在硅片生產的切割，倒角，打磨等一系列的過程中，硅片的邊緣會積累下不少的邊緣應力。

這就導致了，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。

所以説吧。。。別看晶圓做圓形，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，晶圓邊緣內側的區域也還是確確實實存在着一些浪費 —— 只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，其實大家現在採用的方法都差不多。

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？

至於如何把晶圓給整大，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。。。

圖片、資料來源：

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

周揚民 | 西門子還原爐內傳熱及硅棒熱電行為研究

Numerical Simulations of a 96-rod Polysilicon CVD Reactor

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部分圖片素材來自於互聯網