Почему кремниевая пластина круглая, а микросхемы на ней делают квадратными?

Привет!

Почему кремниевые подложки для изготовления процессоров и микросхем (чипов) делают круглыми, а сами микросхемы - квадратные (или прямоугольные)?

Кремниевая подложка - начало будущих микросхем. Источник: https://www.mccourier.com/silicon-wafer-market-with-covid-19-impact-analysis-top-companies-sumco-siltronic-okmetic-fi-shenhe-fts-cn-market-growth-trends-opportunities-forecast-to-2028/

Изготовление кремниевых подложек

Изготовление микросхем начинается с изготовления подложки. Подложка представляет собой тонкую круглую пластину из полупроводника (кремний или германий высочайшей чистоты), изготавливаемую методом Чохральского [1, 2, 3]:

В ёмкость (тигель) с расплавленным кремнием (температура плавления 1414°С) вводится подвешенный затравочный кристалл кремния и нагревается в ней. Затем начинается процесс вытягивания затравочного кристалла в холодную зону вверх (кристалл при этом вращают). При вытягивании кремний принимает форму круглого стержня: в самом начале его диаметр составляет несколько мм, а затем, за счёт снижения температуры и скорости вытягивания, диаметр увеличивают до необходимой величины.

После процесса вытягивания полученный круглый стержень необходимой длины алмазными дисками нарезают на круглые пластины, которые затем полируют, вытравливают и чистят, чтобы их поверхность стала зеркально чистой.

Вот так выглядят круглые монокристаллы кремния после процесса вытягивания. Эти монокристаллы нарезают на тонкие пластины, которые затем полируют до зеркального блеска. Фотография SUMCO (источник [3])

Процесс изготовления монокристаллического кремниевого стержня показан на изображении:

Исходное изображение было получено по ссылке [2]: https://www.sumcosi.com/english/products/process/step_01.html Текст на изображении перевёл я.

Полупроводниковые пластины росли в размерах. Если в 60-х годах их размер составлял 10 мм, то сейчас производители микросхем активно работают с пластинами диаметром 150, 200 и 300 мм, хотя уже существуют и 450-миллиметровые [4]. Возможны и большие размеры (например, 1000 мм), но их создание вызывает некоторые трудности, такие как вытягивание кристаллов, изменение технологии нарезания и т.д.

Вот так выглядят размеры современных кремниевых пластин

И пластины (silicon wafer), и стержни (silicon ingot) можно запросто купить в Китае 🙂 , так что если решите проектировать микросхемы - ничто Вам не помешает, материал есть в продаже 😉

Таким образом, пластина, получаемая из монокристаллического кремниевого стержня круглая, поскольку в процессе её изготовления затравочный кристалл вращается, то есть таковы особенности изготовления кремниевых пластин.

Но почему микросхемы квадратные?

Задайте себе вопрос: какими фигурами нужно заполнить (замостить) площадь круга, чтобы максимально её использовать?

Предположим, что мы владеем технологией создания круглых микросхем. Примем, например, площадь одной микросхемы, равной 491 мм² (тогда диаметр круга одной микросхемы равен 25 мм) и поместим наибольшее их количество на 300-миллиметровую кремниевую пластину.

А теперь возьмём квадратную микросхему с такой же площадью 491 мм² (соответственно, сторона чипа будет равна √491 = 22.16 мм) и тоже разместим как можно большее их количество на300-миллиметровой кремниевой пластине.

Что же у нас получилось? Смотрим на рисунке:

Разместил на одной 300-миллиметровой пластине наибольшее количество круглых микросхем, а на другой - наибольшее количество квадратных. Площади и круглой, и квадратной микросхемы одинаковы и составляют 491 мм². Заштриховал площади целых микросхем.

На одной кремниевой пластине поместилось 107 круглых микросхем, а на другой — целых 116 квадратных.

Использование пластины при замощении круглыми микросхемами составляет 74.33%, при замощении квадратными - 80.58%

Понятно, что квадратные микросхемы одерживают безоговорочную победу, так как использовать пластину нужно по максимуму.

Однако, крайне важен ещё один факт: разрезать пластину на квадраты гораздо проще, чем вырезать в ней круги.

И, конечно же, не стоит забывать о формах транзисторов, вытравливаемых на кристалле: они либо прямоугольные, либо квадратные. Поэтому, если вытравливать их на круглой микросхеме, то потеряется полезное пространство.

Вот именно поэтому кремниевые пластины круглые, а микросхемы (чипы) - квадратные.

О том, как изготавливаются микросхемы поговорим отдельно!

Литература

1. Wafer (electronics): https://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_(electronics)

2. Monocrystalline pulling process: https://www.sumcosi.com/english/products/process/step_01.html

3. Japan leads the world in silicon wafer manufacturing: https://www.tel.com/museum/magazine/material/150430_report04_03/02.html

4. From 20 mm to 450 mm: The Progress in Silicon Wafer Diameter Nodes:

https://www.tel.com/museum/magazine/material/150430_report04_03/