为什么芯片是方的，晶圆是圆的？

在大众印象里，晶圆就是一块薄薄的、圆形的高纯硅晶片，而在这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件结构，使之成为有特定电性功能的集成电路产品。密密麻麻的元器件，被整整齐齐的安放在一块单晶硅材料之上，都是规规矩矩、方方正正的。可见，晶圆在实际应用之中还是要被切割成方形的。

硅片为什么要做成圆的？为什么是“晶圆”，而不做成“晶方”？为什么有的晶圆外圈是没有芯片的，而有的晶圆电路铺盘整片硅片，晶圆外圈也会出现不完整的芯片呢？

熟悉半导体制造流程的朋友知道，芯片在切割封装之前，所有的制造流程都是在晶圆（Wafer）上操作的。不过我们见到的芯片都是方形的，在圆形的晶圆上制造芯片，总会有部分区域没有利用到。所以为什么不能使用方形的晶圆来增大利用率呢？ 

图源 | KitGuru

其实这个问题很好回答，因为晶圆（刚开始是硅片）是在圆柱形的硅棒上切割出来的，所以横截面只能是圆形。

接下来我们从硅片与晶圆的制造过程开始，一起探索满足好奇。

 晶圆比 “晶方”更适合做芯片

硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅砂的提纯及熔炼。这个阶段主要是通过溶解、提纯、蒸馏等一系列措施得到多晶硅。

接下来是单晶硅生长工艺。就是从硅熔体中生长出单晶硅。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，在保护性气氛中高温加热使其熔化。使用一颗小的籽晶缓慢地从旋转着的熔体中缓慢上升，即可垂直拉制出大直径的单晶硅锭。

最后一步是晶圆成型。单晶硅锭一般呈圆柱型，直径从3英寸到十几英寸不等。硅锭经过切片、抛光之后，就得到了单晶硅圆片，也即晶圆。

换句话说，我们经常调侃，芯片本质上是一堆沙子，这句话并没有说错。制造芯片的基础——单晶硅就从石英砂中制取的。

从沙子变成芯片的关键，在于硅的提纯与单晶硅制备工艺的发展。1916年，波兰化学家柴可拉斯基通过实验验证了金属线由金属单晶构成，且单晶体的直径达到毫米级。此后该方法经过化学家的不断迭代，最终制成了单晶硅，这种方法也被称为柴可拉斯基法或直拉法。

柴氏法（直拉法）

图源 | 翻译自维基百科

直拉法的过程是先在坩埚中将高纯硅加热为熔融态，再将晶种（籽晶）置于一根精确定向的棒的末端，并使末端浸入熔融状态的硅，然后将棒缓慢向上提拉并旋转。通过对提拉速率、旋转速率与温度的精确控制，就可以在棒的末端得到一根较大的圆柱状单晶硅棒，后续再对硅棒进行打磨、抛光、切割等工序后，就能得到一片可用的圆形的硅片了。所以说，晶圆的圆是因为硅棒“圆”。

在硅棒上切口

图源 | 互联网

目前，直拉法是生长晶圆最常用的方法了，除了直拉法之外，常用的方法还有区熔法。

区熔法，简称Fz法。1939年，在贝尔实验室工作的W·G·Pfann 最先萌生了“区域匀平”的念头，后来在亨利·休勒 、丹·多西等人的协助下，生长出了高纯度的锗以及硅单晶，并获得了专利。

这种方法是利用热能在半导体多晶棒料的一端产生一熔区，使其重结晶为单晶。使熔区沿一定方向缓慢地向棒的另一端移动，进而通过整根棒料，使多晶棒料生长成一根单晶棒料，区熔法也需要籽晶，且最终得到的柱状单晶锭晶向与籽晶的相同。

区熔法分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长；后者主要用于硅。区熔法与直拉法最大的不同之处在于：区熔法一般不使用坩锅，引入的杂质更少，生长的材料杂质含量也就更少。

总而言之，单晶硅棒是圆柱形的，使用这种方法得到的单晶硅圆片自然也是圆形的了。

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”。不过用来生产芯片的硅棒不会这样做，原因有以下几个：

首先是圆形更适合进行光刻涂胶。

此外，由于边缘应力的存在，圆形晶圆的结构强度也高于方形。硅片在变成晶圆之前需要进行多次光刻、刻蚀、化学研磨等过程，晶圆会在外圈积累较多应力。因此方形的尖角会造成边缘应力集中，在生产过程中极易破损，影响整体良率。

有细心的朋友可能会发现，为什么有的晶圆外圈是没有芯片的，而有的晶圆电路铺盘整片硅片，晶圆外圈也会出现不完整的芯片呢？

晶圆外圈各不相同

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这其实和光刻中的光掩膜（Mask，或称遮光罩、光刻版）尺寸有关。光掩膜大小通常会覆盖晶圆的所有区域，因此在晶圆边缘处会出现不完整的小方格。此外，在芯片制造工艺中，晶圆是不断加厚的，尤其是后段的金属和通孔制作工艺，会用到多次CMP化学机械研磨过程。假如晶圆边沿没有图形，会造成边缘研磨速率过慢，带来的边沿和中心的高度差，在后续的研磨过程中又会影响相邻的完整芯片。

绿圈是晶圆面积，红圈内是可用部分

图源 | 知乎

不过晶圆外圈的芯片一般是不会用的。上文提到，由于生产流程的关系，晶圆外围一定会有一部分应力存在，在这里生产出来的芯片，内部同样会留存应力，后续的切割、封装、运输过程中也有更大的概率造成芯片损坏。这也是有的晶圆外圈有芯片，有的没有的原因。

总的来说，圆形的晶圆更便于芯片制造，良率较高。既然用来制造芯片的晶圆不方便做成方形的，那为什么芯片不能做成圆形的呢？

 圆形的芯片其实更难制造 

硅片在经过涂胶、光刻、刻蚀、离子注入等步骤后，一颗颗芯片才会被制造出来，不过此时芯片还是“长”在晶圆上的，需要经过切割才能变成一颗颗单独的芯片。

方形的芯片仅需几刀就可以全部切下。圆形的芯片，恐怕就要耗费比方形几倍的时间来切割了。最重要的一点，圆形芯片并不能解决硅片面积浪费的问题。

圆形排列会有缝隙

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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。

晶圆越大，空余面积越小

图源 | UEFIBlog

 方形的光伏硅片 

硅片除了可以制作芯片外，在光伏领域也是极其重要的部分。

太阳能电池板结构（电池片即为硅片）

光伏单晶硅的制备过程的前期与芯片单晶硅相同，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%。

半导体硅片与光伏硅片区别

图源 | 恰基小组

 总 结 

回答一下标题提出的问题，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。

来源：与非网

参考资料：

晶圆的边缘为什么要“铺满”电路？

https://www.zhihu.com/question/22961633

半导体系列之原材料——硅片

https://mp.weixin.qq.com/s/JauLPXCagbVhcU3Tuhqdwg

维基百科：柴可拉斯基（Jan Czochralski）

https://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Czochralski