Perché i wafer di silicio sono sempre rotondi?

Quando Intel, AMD, GlobalFoundries, TSMC, Samsung e le altre aziende che si occupano della realizzazione di microprocessori e SoC lanciano un nuovo processo costruttivo vengono sempre pubblicate foto che ritraggono wafer di silicio di forma rotonda.
Perché i wafer di silicio sono sempre tondi?

Innanzi tutto, diciamo che quando si parla di processo costruttivo di un microprocessore a N nm si fa riferimento alla dimensione media del gate di ogni singolo transistor, espressa appunto in nanometri. Intel ha da poco immesso sul mercato il suo primo processore a 10 nm mentre TSMC ha iniziato la produzione di massa dei suoi SoC a 7 nm (iniziando a fare le prime prove per realizzare chip a 5 nm): TSMC parla delle future evoluzioni dei suoi processi litografici: chip di dimensioni più piccole e meno consumi.

Basti pensare che il virus dell’HIV è grande circa 120 nm, un globulo rosso umano circa 6.000-8.000 nm e un capello quasi 80.000 nm per capire cosa significhi per un’azienda specializzata nella produzione di semiconduttori lavorare a 10 nm o meno.
Per approfondire, suggeriamo anche la lettura dell’articolo Come nascono chip e processori ultraminiaturizzati con i sistemi EUV.

Wafer di silicio sempre rotondi: ecco perché

Per la creazione dei moderni circuiti integrati, che sono costituiti da miliardi di transistor (le prossime CPU avranno 100 milioni di transistor per millimetro quadrato), viene utilizzato un substrato omogeneo e privo di difetti.
Il substrato è detto wafer ed è composto da silicio con un elevato grado di purezza e con gli atomi disposti ordinatamente in un reticolo cristallino (monocristallino).

Per creare una simile configurazione il silicio viene cresciuto con la tecnica Czochralski che consente di ottenere lingotti adeguati per l’uso in elettronica.
Il processo alla base della tecnica Czochralski prevede il sollevamento verticale da un oggetto chiamato estrattore o puller di un seme monocristallino di silicio mentre il cilindro viene contemporaneamente fatto ruotare in senso antiorario.

Il seme monocristallino di silicio viene orientato in modo appropriato (ad esempio 111 o 100 secondo il cosiddetto indice di Miller) e inserito nel silicio fuso a temperatura elevatissima usando un’asta metallica; il crogiolo ruota in senso opposto. Ciò che si ottiene è un lingotto cilindrico molto simile a quello rappresentato nell’immagine.

Appare evidente quindi da dove scaturisce la forma rotonda dei wafer di silicio. Effettuando un ritaglio quadrato o rettangolare si sprecherebbe materiale prezioso.

Rispetto a un wafer di forma quadrata un wafer rotondo consente di ottenere il 57% di chip in più nonostante ai bordi del wafer vada comunque considerato dello scarto.
Per le aziende che si occupano della produzione di processori e SoC l’utilizzo di wafer rotondi comporta un risparmio in termini di costi.

Il video che proponiamo di seguito mostra il processo Czochralski e l’estrazione per accrescimento del lingotto di silicio. Suggeriamo di portarsi a 1 minuto e 55 secondi circa.