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為什么晶圓的邊需要鋪滿電路？

老虎說芯|Tiger Chip|

2025-01-15 10:55:47 511

晶圓制造工藝是半導(dǎo)體生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，晶圓的邊緣區(qū)域?qū)φ麄€(gè)制造過程和成品良率具有重要影響。

1. 防止邊緣效應(yīng)影響芯片質(zhì)量

邊緣效應(yīng)指的是由于晶圓邊緣的處理不同于中心區(qū)域，導(dǎo)致的電學(xué)和物理性能的差異。晶圓邊緣由于距離加工工具較遠(yuǎn)或光刻曝光時(shí)的處理不均，可能會(huì)出現(xiàn)性能不穩(wěn)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(dǎo)致邊緣區(qū)域的芯片電性能異常。如果晶圓邊緣沒有電路結(jié)構(gòu)，周圍的材料密度和中心區(qū)域不同，這樣會(huì)對內(nèi)部芯片的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，降低芯片的良率。

可以把晶圓的邊緣看作是一個(gè)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(hù)，容易受到外界的干擾。若沒有合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，孤島的環(huán)境會(huì)影響島內(nèi)的生態(tài)平衡（即芯片的性能）。在半導(dǎo)體制造中，這種“孤島”效應(yīng)對產(chǎn)品的穩(wěn)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(jīng)過多個(gè)精細(xì)的工藝步驟，如光刻、金屬沉積、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等。每一步都需要保持均勻性，否則會(huì)導(dǎo)致加工誤差。如果晶圓邊緣沒有電路結(jié)構(gòu)，會(huì)影響拋光過程中的力學(xué)分布。以CMP為例，CMP主要通過機(jī)械和化學(xué)相結(jié)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(jié)構(gòu)，就會(huì)導(dǎo)致晶圓邊緣沒有足夠的摩擦力，導(dǎo)致邊緣和中心的研磨速率不同，從而產(chǎn)生高度差，進(jìn)而影響中心區(qū)域芯片的質(zhì)量。

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

3. 優(yōu)化芯片布局與空間利用

晶圓邊緣鋪滿電路也有助于優(yōu)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(chǎn)品，但它們有助于測試和調(diào)試制造過程中的一些細(xì)節(jié)問題。例如，測試芯片可以用于驗(yàn)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(wěn)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(shè)測試電路也是為了保證工藝的準(zhǔn)確性和可靠性，從而提高整體生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

4. 減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)

晶圓邊緣如果沒有設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，可能會(huì)造成更多的材料浪費(fèi)。尤其是在更大直徑的晶圓上，邊緣區(qū)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(huì)導(dǎo)致更多的邊緣芯片丟失。如果邊緣區(qū)域沒有電路設(shè)計(jì)，雖然看似可以節(jié)省一些材料，但實(shí)際上會(huì)浪費(fèi)更多的空間和晶圓面積，因?yàn)樯a(chǎn)商無法將這些邊緣區(qū)域有效利用。

假如你在制作一個(gè)大的披薩時(shí)，只切掉外圍邊緣，但仍然不能將這部分的面團(tuán)合理利用，這樣反而會(huì)浪費(fèi)更多的食材。同理，晶圓的邊緣部分如果沒有電路，可以導(dǎo)致更多的芯片喪失，進(jìn)而影響整個(gè)生產(chǎn)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(zhuǎn)移到晶圓表面。如果邊緣沒有電路圖案，會(huì)導(dǎo)致在曝光過程中，邊緣區(qū)域的光照強(qiáng)度或分布不均勻。由于光刻曝光是按區(qū)域進(jìn)行的，若邊緣沒有電路，可能會(huì)導(dǎo)致光刻過程中的不均勻性，進(jìn)一步影響整個(gè)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(huì)有折射或者擴(kuò)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(gè)曝光過程的*性。

6. 降低晶圓整體良率波動(dòng)

晶圓制造工藝中，由于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)、物理加工以及環(huán)境因素，任何微小的工藝差異都會(huì)影響最終的良率。邊緣沒有電路結(jié)構(gòu)會(huì)使得這些工藝差異更加明顯，因?yàn)樵谶@些區(qū)域中，圖案的形成和材料的沉積不夠穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性可能在后續(xù)的加工環(huán)節(jié)中進(jìn)一步放大，導(dǎo)致一些芯片無法通過質(zhì)量檢測。

就像在建筑時(shí)，如果忽視了建筑物四周的地基，建筑的結(jié)構(gòu)會(huì)受到影響，可能導(dǎo)致中心部分也出現(xiàn)問題。同理，晶圓邊緣如果沒有適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，也會(huì)讓整個(gè)晶圓的質(zhì)量波動(dòng)增加，影響最終的芯片質(zhì)量。

結(jié)論：晶圓的邊緣需要鋪滿電路，目的是為了防止邊緣效應(yīng)、確保加工均勻性、優(yōu)化空間利用、減少生產(chǎn)浪費(fèi)、避免光刻與蝕刻不均以及降低整體良率波動(dòng)。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(zhì)量和高良率。

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