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熟悉半導體制造流程的朋友知道，芯片在切割封裝之前，所有的制造流程都是在晶圓（Wafer）上操作的。不過我們見到的芯片都是方形的，在圓形的晶圓上制造芯片，總會有部分區域沒有利用到。所以為什么不能使用方形的晶圓來增大利用率呢？

其實這個問題很好回答，因為晶圓（剛開始是硅片）是在圓柱形的硅棒上切割出來的，所以橫截面只能是圓形。那么問題又來了，為什么硅棒是圓柱形的？本文將向你介紹半導體制造的上游產業，硅片與晶圓的制造過程。

晶圓比 “晶方”更適合做芯片

我們總調侃芯片本質上就是一堆沙子，這句話并沒有說錯。制造芯片的基礎——單晶硅就從石英砂中制取的。

從沙子變成芯片的關鍵，在于硅的提純與單晶硅制備工藝的發展。1916年，波蘭化學家柴可拉斯基不小心將鋼筆浸入了熔錫坩堝內而不是墨水瓶中，他立即拔出鋼筆，發現筆尖上掛著一根凝固的金屬絲。柴可拉斯基通過實驗驗證了這根金屬線由金屬單晶構成，且單晶體的直徑達到毫米級。此后該方法經過化學家的不斷迭代，最終制成了單晶硅，這種方法也被稱為柴可拉斯基法或直拉法。單晶與多晶相對應，多晶體是由許多小晶粒組成的，晶粒之間的排列沒有規則。單晶體本身就是完整的大晶粒，晶體中各原子或離子有序排列。由于多晶硅不像單晶硅那樣具有重復的單晶機構來提供穩定的電學與機械性質，所以用制作芯片的硅片只能是單晶硅。

柴氏法（直拉法），圖源 | 翻譯自維基百科

直拉法的過程是先在坩堝中將高純硅加熱為熔融態，再將晶種（籽晶）置于一根精確定向的棒的末端，并使末端浸入熔融狀態的硅，然后將棒緩慢向上提拉并旋轉。通過對提拉速率、旋轉速率與溫度的精確控制，就可以在棒的末端得到一根較大的圓柱狀單晶硅棒，后續再對硅棒進行打磨、拋光、切割等工序后，就能得到一片可用的圓形的硅片了。

所以說，晶圓的圓是因為硅棒“圓”。不過準確來說，晶圓并不是完全的圓形。通常硅片在加工為晶圓后周圍會磨出一個缺口（200mm一下切割一個平角，200mm以上為了避免浪費會剪出一個小口），這是為了標明硅晶的生長方向，也便于后續的光刻、刻蝕步驟中對晶圓進行定位。

圖源 | 互聯網

其實硅棒在切片之前可以先切割成長方體，這樣后續切片時就能直接得到“晶方”。不過用來生產芯片的硅棒不會這樣做，原因有以下幾個：

首先是圓形更適合進行光刻涂膠。晶圓在光刻前，需要在表面均勻涂抹一層光刻膠，涂膠的均勻度直接影響芯片的良率。目前常用的涂膠方法就是在硅片中心涂膠，再通過旋轉的方式將光刻膠甩開并鋪滿整個晶圓。由于液體的粘滯性、表面張力與空氣阻力，方形晶圓在甩膠后，四個角處會發生光刻膠堆積，最終影響整體的光刻效果，導致良率下降，浪費更多。

此外，由于邊緣應力的存在，圓形晶圓的結構強度也高于方形。硅片在變成晶圓之前需要進行多次光刻、刻蝕、化學研磨等過程，晶圓會在外圈積累較多應力。因此方形的尖角會造成邊緣應力集中，在生產過程中極易破損，影響整體良率。

有細心的朋友可能會發現，為什么有的晶圓外圈是沒有芯片的，而有的晶圓電路鋪盤整片硅片，晶圓外圈也會出現不完整的芯片呢？

這其實和光刻中的光掩膜（Mask，或稱遮光罩、光刻版）尺寸有關。光刻本質是讓涂好光刻膠的硅片在特定光線（例如EUV極紫外光）下曝光，光線會在透過光掩膜后在晶圓表面留下所需要的電路圖形。而光掩膜本身就是方形的，它由很多網格組成，每個方格叫做一個Shot，它是曝光的最小單位。Shot包括一個或多個Die與外圍測試電路。Shot是方形的，所以Die也是方形的。光掩膜大小通常會覆蓋晶圓的所有區域，因此在晶圓邊緣處會出現不完整的小方格。此外，由于邊緣效應，如果光刻后不制作周邊電路，會對圈內外的材料密度產生影響，進而影響整體良率。

業內人士關于這一現象做出解釋：“在芯片制造工藝中，晶圓是不斷加厚的，尤其是后段的金屬和通孔制作工藝，會用到多次CMP化學機械研磨過程。假如晶圓邊沿沒有圖形，會造成邊緣研磨速率過慢，帶來的邊沿和中心的高度差，在后續的研磨過程中又會影響相鄰的完整芯片。所以，即便是作為dummy pattern（直譯：假圖案）, 邊沿的非完整shot 都需要正常曝光。”

綠圈是晶圓面積，紅圈內是可用部分，圖源 | 知乎

不過晶圓外圈的芯片一般是不會用的。上文提到，由于生產流程的關系，晶圓外圍一定會有一部分應力存在，在這里生產出來的芯片，內部同樣會留存應力，后續的切割、封裝、運輸過程中也有更大的概率造成芯片損壞。所以，目前廠商在使用較大面積晶圓生產芯片時，都會選擇在整片晶圓上鋪滿電路來提升良率，這也是有的晶圓外圈有芯片，有的沒有的原因。

總的來說，圓形的晶圓更便于芯片制造，良率較高。既然用來制造芯片的晶圓不方便做成方形的，那為什么芯片不能做成圓形的呢？

圓形的芯片其實更難制造

硅片在經過涂膠、光刻、刻蝕、離子注入等步驟后，一顆顆芯片才會被制造出來，不過此時芯片還是“長”在晶圓上的，需要經過切割才能變成一顆顆單獨的芯片。

想象一下，方形的芯片僅需幾刀就可以全部切下。如果是圓形的芯片呢？恐怕就要耗費比方形幾倍的時間來切割了。從封裝方向看，方形的芯片也便于進行引線操作，即使是Flip chip型封裝，方形也更方便機器操作芯片將I/O接口與焊盤對齊。

最重要的一點，圓形芯片并不能解決硅片面積浪費的問題。在一個晶圓上切下許多方形區域，這些區域中間不會有縫隙，僅會在晶圓邊緣留下空余。但如果從一個平面上切下很多圓形的區域，中間就一定會有部分區域被浪費，同時還不能避免晶圓外圍的浪費。

其實節約晶圓面積始終是一項重要課題。晶圓上能生產的芯片越多，生產效率就越高，單顆芯片的成本也越低。目前解決生產效率的最好方法就是提高晶圓面積，也就是我們熟悉的微積分。

圖源 | UEFIBlog

從圖片中可以簡單看出，當芯片面積固定時，采用更大的晶圓可以有效提升晶圓利用率。以國際上Fab廠通用的計算公式看：

在12寸晶圓上生產100mm2的芯片約能生產660塊芯片，而采用8寸晶圓，就只有180塊芯片，晶圓面積減少50%，但芯片數量卻少了72%。因此，目前12寸晶圓成為全球更大IDM與foundry廠商的主要戰場。我國目前只有少量企業擁有12英寸的半導體硅片制造技術，國內企業正在加速追趕世界前列。

從晶圓利用率看，目前不可能有圓形的芯片了，但是真的存在方形的“晶圓”，不僅存在還很常見。

方形的光伏硅片

硅片除了可以制作芯片外，在光伏領域也是極其重要的部分。

光伏發電是利用硅片的光伏效應，將陽光輻射能直接轉換為電能的發電形式。晶體硅的光伏效應多晶與單晶都適用，不過單晶硅晶體完整，光學和電學性質均一，機械強度更高，且光電轉換更高效，所以單晶電池轉換效率可以比多晶電池高2-3個百分點。

圖源 | 知乎

光伏單晶硅的制備過程的前期與芯片單晶硅相同，都是先將高純硅加熱至熔融態，再從中拉出一根單晶硅棒。切片前，光伏硅會先將硅棒切成長方體，這樣硅片的橫截面就變成方形了。采用方形的原因同樣很簡單，如果光伏電池是圓形的，多個電池排列成太陽能電池板中間就會出現空隙，降低了整體轉化率。

與芯片相比，制造光伏板對硅純度的要求要稍低，純度標準只需要99.9999%，達不到制作芯片的99.999999999%。

圖源 | 恰基小組

回答一下標題提出的問題，芯片為什么是方的？圓形芯片難以切割，后續封裝階段也不方便控制，最重要的是，圓形芯片不能解決晶圓面積浪費的問題。為什么晶圓是圓的？在生產芯片的過程中，圓形晶圓由于力學因素生產更方便，良率更高，且硅棒天然是圓柱型，晶圓自然也就是圓形了。不過在光伏領域，方形硅片在電池封裝時不會浪費空間，所以光伏硅片采用方形。