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晶圓邊緣需要鋪滿電路的原因分析

中科院半導體所 ? 來源:老虎說芯 ? 2024-12-31 11:24 ? 次閱讀

本文簡單介紹了在晶圓制造過程中,晶圓邊緣需要鋪滿電路的原因。

晶圓制造工藝是半導體生產中的關鍵步驟,晶圓的邊緣區域對整個制造過程和成品良率具有重要影響。

1. 防止邊緣效應影響芯片質量

邊緣效應指的是由于晶圓邊緣的處理不同于中心區域,導致的電學和物理性能的差異。晶圓邊緣由于距離加工工具較遠或光刻曝光時的處理不均,可能會出現性能不穩定的情況。比如,金屬層和通孔的連接可能不良,或者材料沉積不均,導致邊緣區域的芯片電性能異常。如果晶圓邊緣沒有電路結構,周圍的材料密度和中心區域不同,這樣會對內部芯片的整體質量產生影響,降低芯片的良率。

可以把晶圓的邊緣看作是一個被拋在外面的“孤島”,它與“島嶼”中心的其他部分相比沒有保護,容易受到外界的干擾。若沒有合適的結構設計,孤島的環境會影響島內的生態平衡(即芯片的性能)。在半導體制造中,這種“孤島”效應對產品的穩定性和可靠性造成不良影響。

2. 確保加工均勻性和一致性

晶圓在制造過程中,需要經過多個精細的工藝步驟,如光刻、金屬沉積、化學機械拋光(CMP)等。每一步都需要保持均勻性,否則會導致加工誤差。如果晶圓邊緣沒有電路結構,會影響拋光過程中的力學分布。以CMP為例,CMP主要通過機械和化學相結合的方式去除晶圓表面多余的材料,保持晶圓的平整度。如果邊緣沒有電路結構,就會導致晶圓邊緣沒有足夠的摩擦力,導致邊緣和中心的研磨速率不同,從而產生高度差,進而影響中心區域芯片的質量。

就像在砂紙打磨木材時,若木材的邊緣不平整,打磨會變得不均勻,導致表面光滑度不一致。同樣,晶圓邊緣的“不均勻”會影響整個晶圓的表面平整度和芯片的良率。

3. 優化芯片布局與空間利用

晶圓邊緣鋪滿電路也有助于優化芯片布局,提高晶圓的使用效率。晶圓的邊緣部分常常包含一些特殊的“dummy pattern”芯片或測試電路,這些電路并不是用于最終產品,但它們有助于測試和調試制造過程中的一些細節問題。例如,測試芯片可以用于驗證光刻工藝的精度,或者用來測試材料沉積和蝕刻工藝的穩定性。

就像在拼圖游戲中,周圍的邊框幫助你更好地組織和排列里面的碎片。晶圓的邊緣鋪設測試電路也是為了保證工藝的準確性和可靠性,從而提高整體生產的效率和質量。

4. 減少生產過程中的浪費

晶圓邊緣如果沒有設計電路結構,可能會造成更多的材料浪費。尤其是在更大直徑的晶圓上,邊緣區域的損失更為明顯。制造過程中,晶圓邊緣通常被切割或者磨削,這樣會導致更多的邊緣芯片丟失。如果邊緣區域沒有電路設計,雖然看似可以節省一些材料,但實際上會浪費更多的空間和晶圓面積,因為生產商無法將這些邊緣區域有效利用。

假如你在制作一個大的披薩時,只切掉外圍邊緣,但仍然不能將這部分的面團合理利用,這樣反而會浪費更多的食材。同理,晶圓的邊緣部分如果沒有電路,可以導致更多的芯片喪失,進而影響整個生產過程的成本效益。

5. 避免光刻與蝕刻不均勻

在光刻工藝中,晶圓表面覆蓋一層光刻膠,隨后通過光照將圖案轉移到晶圓表面。如果邊緣沒有電路圖案,會導致在曝光過程中,邊緣區域的光照強度或分布不均勻。由于光刻曝光是按區域進行的,若邊緣沒有電路,可能會導致光刻過程中的不均勻性,進一步影響整個圖案的形成,特別是對于微小尺寸芯片而言,精度要求極高。

類比:

可以想象光刻過程類似于用太陽鏡片投影太陽光形成陰影,若沒有完整的遮罩,邊緣的光線會有折射或者擴散,造成圖案的不清晰。晶圓的邊緣需要有合適的電路來保證光照的均勻分布,確保整個曝光過程的精準性。

6. 降低晶圓整體良率波動

晶圓制造工藝中,由于復雜的化學反應、物理加工以及環境因素,任何微小的工藝差異都會影響最終的良率。邊緣沒有電路結構會使得這些工藝差異更加明顯,因為在這些區域中,圖案的形成和材料的沉積不夠穩定。這種不穩定性可能在后續的加工環節中進一步放大,導致一些芯片無法通過質量檢測

就像在建筑時,如果忽視了建筑物四周的地基,建筑的結構會受到影響,可能導致中心部分也出現問題。同理,晶圓邊緣如果沒有適當的電路結構,也會讓整個晶圓的質量波動增加,影響最終的芯片質量。

結論:晶圓的邊緣需要鋪滿電路,目的是為了防止邊緣效應、確保加工均勻性、優化空間利用、減少生產浪費、避免光刻與蝕刻不均以及降低整體良率波動。通過這些措施,晶圓制造過程中的每一步都能更精確地控制,最終確保芯片的高質量和高良率。


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原文標題:為什么晶圓的邊需要鋪滿電路?

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