科普|为什么芯片是方的，晶圆是圆的?

半导体制造流程中，芯片在切割封装之前的所有制造步骤都是在晶圆（Wafer）上进行的。然而，大家见到的成品芯片通常是方形的，而在圆形的晶圆上制造芯片会导致部分区域未被充分利用。那么，为什么不采用方形的晶圆来提高利用率呢？

实际上，这个问题的答案很简单：因为晶圆（最初的形态是硅片）是从圆柱形的硅棒上切割出来的，所以其横截面只能是圆形。那么，为什么硅棒是圆柱形的呢？

从半导体制造的上游产业来看，即硅片与晶圆的制造过程。首先，需要了解单晶硅的制备。单晶硅是制造芯片的基础材料，它可以从石英砂中提取。石英砂的主要成分是二氧化硅（SiO₂），经过提纯和制备过程，可以得到高纯度的多晶硅。

1916年，波兰化学家Jan Czochralski意外地将钢笔浸入熔化的锡坩埚中，而不是墨水瓶中。当他迅速拔出钢笔时，发现笔尖上悬挂着一根凝固的金属丝。通过实验，他证实这根金属丝是由金属单晶构成的，直径达到了毫米级别。此后，科学家们对这种方法进行了改进，最终发展出了制造单晶硅的技术，这种方法被称为Czochralski法或直拉法。

单晶硅与多晶硅相对应。多晶硅由许多小晶粒组成，这些晶粒之间的排列没有规则。而单晶硅本身就是一个完整的大型晶粒，其中的原子或离子按照有序的模式排列。由于多晶硅不像单晶硅那样具有重复的单晶结构，无法提供稳定的电学和机械性能，因此用于制造芯片的硅片只能是单晶硅。

总结，硅棒之所以是圆柱形，是因为单晶硅的制备过程中，采用的是直拉法。这种方法决定了硅棒的形状。而圆形晶圆则更符合这一生产流程，因此尽管部分区域未被充分利用，但仍然选择圆形晶圆作为制造芯片的基础。

直拉法的过程：首先，在坩埚中将高纯度的硅加热至熔融状态。接着，将一个晶种（籽晶）置于一根精确定向的棒的末端，并使其末端浸入熔融的硅中。随后，慢慢提升棒并同时旋转，通过严格控制提拉速度、旋转速度以及温度，可以在棒的末端形成一根较大的圆柱状单晶硅棒。之后，对这个硅棒进行打磨、抛光和切割等工序，从而得到可用于制造芯片的圆形硅片。

因此，晶圆的圆形主要是因为硅棒的形状决定的。不过，严格来说，晶圆并不是完全的圆形。通常情况下，硅片在加工成晶圆后，会在边缘处磨出一个缺口。对于直径小于200毫米的硅片，通常会切割一个平角；而对于直径大于200毫米的硅片，则会切出一个小口。这样做的目的是为了标明硅晶的生长方向，同时也方便后续的光刻和刻蚀步骤中的定位操作。

其实硅棒在切片之前可以先切割成长方体，这样后续切片时就能直接得到“晶方”。不过，用于生产芯片的硅棒通常不会这样做，原因如下：

首先，圆形更有利于光刻涂胶。在光刻前，晶圆表面需要均匀涂抹一层光刻胶，涂胶的均匀度直接影响芯片的良品率。目前常用的涂胶方法是在硅片中心涂胶，然后通过旋转的方式将光刻胶均匀分布在整个晶圆上。由于液体的粘滞性、表面张力和空气阻力，方形晶圆在旋转涂胶时，四个角容易发生光刻胶堆积，这会影响光刻的整体效果，降低良品率，造成更多的浪费。

其次，圆形晶圆的结构强度更高。在变成晶圆之前，硅片需要经过多次光刻、刻蚀、化学研磨等复杂工艺。晶圆在这些过程中会在外圈积累较多应力，方形晶圆的尖角会导致边缘应力集中，容易在生产过程中破损，进而影响整体良品率。

至于为何有些晶圆的外圈没有芯片，而有些晶圆即使在外圈也有不完整的芯片，这是因为晶圆的设计和布局不同。在某些设计中，外圈区域会被留空，以防止边缘应力导致的破损，提高整体良品率。而在其他设计中，虽然外圈区域也可能存在不完整的芯片，但这些区域通常会被标记出来，以便在后续工艺中剔除，确保只有良品进入下一步工序。

这实际上与光刻过程中使用的光掩膜（Mask，又称遮光罩或光刻版）尺寸有关。光刻的基本原理是让涂好光刻胶的硅片在特定光源（如EUV极紫外光）照射下曝光，通过光掩膜在晶圆表面形成所需的电路图形。光掩膜本身是方形的，由许多网格组成，每个网格称为一个Shot，它是曝光的最小单位。每个Shot包含一个或多个Die以及外围的测试电路。由于Shot是方形的，因此Die也是方形的。光掩膜的大小通常覆盖晶圆的所有区域，所以在晶圆边缘处会出现不完整的Shot。

此外，边缘效应也是一个重要因素。如果不制作周边电路，晶圆边缘与中心的材料密度差异会对整体良品率产生影响。为了应对这种情况，即使在晶圆边缘也需要制作一些非完整的Shot，以确保边缘和中心的材料密度一致。

业内专家对此现象进行了详细解释：“在芯片制造过程中，晶圆会不断加厚，尤其是在后段的金属和通孔制作工艺中，会使用多次CMP（化学机械研磨）过程。如果晶圆边缘没有图形，会导致边缘研磨速率过慢，从而造成边缘和中心高度差。这种高度差在后续研磨过程中会影响相邻的完整芯片。因此，即使是作为dummy pattern（假图案），晶圆边缘的非完整Shot也需要正常曝光，以确保整体一致性。”

然而，晶圆外圈的芯片通常不会被使用。正如上文所述，由于生产工艺的原因，晶圆边缘必然存在一定的应力。在这种区域生产的芯片内部也会保留应力，在后续的切割、封装和运输过程中更容易损坏。因此，当前厂商在使用大面积晶圆生产芯片时，通常会选择在整个晶圆上铺设电路，以提高良品率。这也是为什么有些晶圆外圈有芯片，而有些没有的原因。

总体而言，使用圆形晶圆进行芯片制造具有较高的良品率。尽管如此，为何芯片不能设计成圆形呢？

实际上，圆形芯片的制造更为复杂。硅片在完成涂胶、光刻、刻蚀、离子注入等一系列工序后，芯片才会被制造出来。但这时芯片仍连接在晶圆上，需要经过切割才能成为独立的个体。

设想一下，方形芯片只需几次切割即可完全分离。而圆形芯片则需要花费更多时间进行切割，可能需要数倍于方形芯片的时间。从封装角度来看，方形芯片也更便于引线操作，即使是采用Flip chip型封装，方形芯片也更易于机器操作，以便将I/O接口与焊盘对齐。

最关键的一点是，圆形芯片无法解决硅片面积浪费的问题。在一个晶圆上切割出许多方形区域，这些区域之间不会有间隙，只有晶圆边缘可能会有少量未利用的空间。然而，如果从一个平面上切割出许多圆形区域，则必然会在中间产生一些浪费的空间，同时还会导致晶圆边缘的浪费。

其实节约晶圆面积始终是一项重要课题。晶圆上能生产的芯片越多，生产效率就越高，单颗芯片的成本也越低。目前解决生产效率的最好方法就是提高晶圆面积，也就是我们熟悉的微积分。

从图片中可以简单看出，当芯片面积固定时，采用更大的晶圆可以有效提升晶圆利用率。以国际上Fab厂通用的计算公式看：

在12寸晶圆上生产100mm²的芯片约能生产660块芯片，而采用8寸晶圆，就只有180块芯片，晶圆面积减少50%，但芯片数量却少了72%。因此，目前12寸晶圆成为全球更大IDM与foundry厂商的主要战场。我国目前只有少量企业拥有12英寸的半导体硅片制造技术，国内企业正在加速追赶世界前列。

从晶圆利用率的角度来看，目前的芯片设计已经不再采用圆形，而是普遍使用方形芯片。尽管如此，所谓的“晶圆”依然是圆形的，这在行业内很常见。

除了用于制造芯片外，硅片在光伏领域同样扮演着至关重要的角色。光伏发电通过利用硅片的光伏效应，将阳光辐射能直接转化为电能。无论是多晶硅还是单晶硅，都能产生光伏效应。然而，单晶硅由于其晶体结构更为完整，光学和电学性能更加均匀，机械强度更高，并且光电转换效率也更高，因此单晶电池的转换效率通常比多晶电池高出2到3个百分点。

光伏单晶硅的制备过程的前期与芯片单晶硅相同，都是先将高纯硅加热至熔融态，再从中拉出一根单晶硅棒。切片前，光伏硅会先将硅棒切成长方体，这样硅片的横截面就变成方形了。采用方形的原因同样很简单，如果光伏电池是圆形的，多个电池排列成太阳能电池板中间就会出现空隙，降低了整体转化率。

与芯片相比，制造光伏板对硅纯度的要求要稍低，纯度标准只需要99.9999%，达不到制作芯片的99.999999999%。

总结芯片为什么是方的？圆形芯片难以切割，后续封装阶段也不方便控制，最重要的是，圆形芯片不能解决晶圆面积浪费的问题。为什么晶圆是圆的？在生产芯片的过程中，圆形晶圆由于力学因素生产更方便，良率更高，且硅棒天然是圆柱型，晶圆自然也就是圆形了。不过在光伏领域，方形硅片在电池封装时不会浪费空间，所以光伏硅片采用方形。