為什么芯片是方的，晶圓是圓的?
半導(dǎo)體制造流程中，芯片在切割封裝之前的所有制造步驟都是在晶圓（Wafer）上進(jìn)行的。然而，大家見到的成品芯片通常是方形的，而在圓形的晶圓上制造芯片會導(dǎo)致部分區(qū)域未被充分利用。那么，為什么不采用方形的晶圓來提高利用率呢？
實(shí)際上，這個(gè)問題的答案很簡單：因?yàn)榫A（最初的形態(tài)是硅片）是從圓柱形的硅棒上切割出來的，所以其橫截面只能是圓形。那么，為什么硅棒是圓柱形的呢？
從半導(dǎo)體制造的上游產(chǎn)業(yè)來看，即硅片與晶圓的制造過程。首先，需要了解單晶硅的制備。單晶硅是制造芯片的基礎(chǔ)材料，它可以從石英砂中提取。石英砂的主要成分是二氧化硅（SiO?），經(jīng)過提純和制備過程，可以得到高純度的多晶硅。
1916年，波蘭化學(xué)家Jan Czochralski意外地將鋼筆浸入熔化的錫坩堝中，而不是墨水瓶中。當(dāng)他迅速拔出鋼筆時(shí)，發(fā)現(xiàn)筆尖上懸掛著一根凝固的金屬絲。通過實(shí)驗(yàn)，他證實(shí)這根金屬絲是由金屬單晶構(gòu)成的，直徑達(dá)到了毫米級別。此后，科學(xué)家們對這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，最終發(fā)展出了制造單晶硅的技術(shù)，這種方法被稱為Czochralski法或直拉法。
單晶硅與多晶硅相對應(yīng)。多晶硅由許多小晶粒組成，這些晶粒之間的排列沒有規(guī)則。而單晶硅本身就是一個(gè)完整的大型晶粒，其中的原子或離子按照有序的模式排列。由于多晶硅不像單晶硅那樣具有重復(fù)的單晶結(jié)構(gòu)，無法提供穩(wěn)定的電學(xué)和機(jī)械性能，因此用于制造芯片的硅片只能是單晶硅。
總結(jié)，硅棒之所以是圓柱形，是因?yàn)閱尉Ч璧闹苽溥^程中，采用的是直拉法。這種方法決定了硅棒的形狀。而圓形晶圓則更符合這一生產(chǎn)流程，因此盡管部分區(qū)域未被充分利用，但仍然選擇圓形晶圓作為制造芯片的基礎(chǔ)。
直拉法的過程：首先，在坩堝中將高純度的硅加熱至熔融狀態(tài)。接著，將一個(gè)晶種（籽晶）置于一根精確定向的棒的末端，并使其末端浸入熔融的硅中。隨后，慢慢提升棒并同時(shí)旋轉(zhuǎn)，通過嚴(yán)格控制提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度以及溫度，可以在棒的末端形成一根較大的圓柱狀單晶硅棒。之后，對這個(gè)硅棒進(jìn)行打磨、拋光和切割等工序，從而得到可用于制造芯片的圓形硅片。
因此，晶圓的圓形主要是因?yàn)楣璋舻男螤顩Q定的。不過，嚴(yán)格來說，晶圓并不是完全的圓形。通常情況下，硅片在加工成晶圓后，會在邊緣處磨出一個(gè)缺口。對于直徑小于200毫米的硅片，通常會切割一個(gè)平角；而對于直徑大于200毫米的硅片，則會切出一個(gè)小口。這樣做的目的是為了標(biāo)明硅晶的生長方向，同時(shí)也方便后續(xù)的光刻和刻蝕步驟中的定位操作。
其實(shí)硅棒在切片之前可以先切割成長方體，這樣后續(xù)切片時(shí)就能直接得到“晶方”。不過，用于生產(chǎn)芯片的硅棒通常不會這樣做，原因如下：
首先，圓形更有利于光刻涂膠。在光刻前，晶圓表面需要均勻涂抹一層光刻膠，涂膠的均勻度直接影響芯片的良品率。目前常用的涂膠方法是在硅片中心涂膠，然后通過旋轉(zhuǎn)的方式將光刻膠均勻分布在整個(gè)晶圓上。由于液體的粘滯性、表面張力和空氣阻力，方形晶圓在旋轉(zhuǎn)涂膠時(shí)，四個(gè)角容易發(fā)生光刻膠堆積，這會影響光刻的整體效果，降低良品率，造成更多的浪費(fèi)。
其次，圓形晶圓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。在變成晶圓之前，硅片需要經(jīng)過多次光刻、刻蝕、化學(xué)研磨等復(fù)雜工藝。晶圓在這些過程中會在外圈積累較多應(yīng)力，方形晶圓的尖角會導(dǎo)致邊緣應(yīng)力集中，容易在生產(chǎn)過程中破損，進(jìn)而影響整體良品率。
至于為何有些晶圓的外圈沒有芯片，而有些晶圓即使在外圈也有不完整的芯片，這是因?yàn)榫A的設(shè)計(jì)和布局不同。在某些設(shè)計(jì)中，外圈區(qū)域會被留空，以防止邊緣應(yīng)力導(dǎo)致的破損，提高整體良品率。而在其他設(shè)計(jì)中，雖然外圈區(qū)域也可能存在不完整的芯片，但這些區(qū)域通常會被標(biāo)記出來，以便在后續(xù)工藝中剔除，確保只有良品進(jìn)入下一步工序。
這實(shí)際上與光刻過程中使用的光掩膜（Mask，又稱遮光罩或光刻版）尺寸有關(guān)。光刻的基本原理是讓涂好光刻膠的硅片在特定光源（如EUV極紫外光）照射下曝光，通過光掩膜在晶圓表面形成所需的電路圖形。光掩膜本身是方形的，由許多網(wǎng)格組成，每個(gè)網(wǎng)格稱為一個(gè)Shot，它是曝光的最小單位。每個(gè)Shot包含一個(gè)或多個(gè)Die以及外圍的測試電路。由于Shot是方形的，因此Die也是方形的。光掩膜的大小通常覆蓋晶圓的所有區(qū)域，所以在晶圓邊緣處會出現(xiàn)不完整的Shot。
此外，邊緣效應(yīng)也是一個(gè)重要因素。如果不制作周邊電路，晶圓邊緣與中心的材料密度差異會對整體良品率產(chǎn)生影響。為了應(yīng)對這種情況，即使在晶圓邊緣也需要制作一些非完整的Shot，以確保邊緣和中心的材料密度一致。
業(yè)內(nèi)專家對此現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)解釋：“在芯片制造過程中，晶圓會不斷加厚，尤其是在后段的金屬和通孔制作工藝中，會使用多次CMP（化學(xué)機(jī)械研磨）過程。如果晶圓邊緣沒有圖形，會導(dǎo)致邊緣研磨速率過慢，從而造成邊緣和中心高度差。
這種高度差在后續(xù)研磨過程中會影響相鄰的完整芯片。因此，即使是作為dummy pattern（假圖案），晶圓邊緣的非完整Shot也需要正常曝光，以確保整體一致性?！?/span>
然而，晶圓外圈的芯片通常不會被使用。正如上文所述，由于生產(chǎn)工藝的原因，晶圓邊緣必然存在一定的應(yīng)力。在這種區(qū)域生產(chǎn)的芯片內(nèi)部也會保留應(yīng)力，在后續(xù)的切割、封裝和運(yùn)輸過程中更容易損壞。因此，當(dāng)前廠商在使用大面積晶圓生產(chǎn)芯片時(shí)，通常會選擇在整個(gè)晶圓上鋪設(shè)電路，以提高良品率。這也是為什么有些晶圓外圈有芯片，而有些沒有的原因。
總體而言，使用圓形晶圓進(jìn)行芯片制造具有較高的良品率。盡管如此，為何芯片不能設(shè)計(jì)成圓形呢？
實(shí)際上，圓形芯片的制造更為復(fù)雜。硅片在完成涂膠、光刻、刻蝕、離子注入等一系列工序后，芯片才會被制造出來。但這時(shí)芯片仍連接在晶圓上，需要經(jīng)過切割才能成為獨(dú)立的個(gè)體。
設(shè)想一下，方形芯片只需幾次切割即可完全分離。而圓形芯片則需要花費(fèi)更多時(shí)間進(jìn)行切割，可能需要數(shù)倍于方形芯片的時(shí)間。從封裝角度來看，方形芯片也更便于引線操作，即使是采用Flip chip型封裝，方形芯片也更易于機(jī)器操作，以便將I/O接口與焊盤對齊。
最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，圓形芯片無法解決硅片面積浪費(fèi)的問題。在一個(gè)晶圓上切割出許多方形區(qū)域，這些區(qū)域之間不會有間隙，只有晶圓邊緣可能會有少量未利用的空間。然而，如果從一個(gè)平面上切割出許多圓形區(qū)域，則必然會在中間產(chǎn)生一些浪費(fèi)的空間，同時(shí)還會導(dǎo)致晶圓邊緣的浪費(fèi)。
其實(shí)節(jié)約晶圓面積始終是一項(xiàng)重要課題。晶圓上能生產(chǎn)的芯片越多，生產(chǎn)效率就越高，單顆芯片的成本也越低。目前解決生產(chǎn)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。
從圖片中可以簡單看出，當(dāng)芯片面積固定時(shí)，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(jì)算公式看：
在12寸晶圓上生產(chǎn)100mm2的芯片約能生產(chǎn)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(shù)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(zhàn)場。我國目前只有少量企業(yè)擁有12英寸的半導(dǎo)體硅片制造技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)正在加速追趕世界前列。
從晶圓利用率的角度來看，目前的芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)不再采用圓形，而是普遍使用方形芯片。盡管如此，所謂的“晶圓”依然是圓形的，這在行業(yè)內(nèi)很常見。
除了用于制造芯片外，硅片在光伏領(lǐng)域同樣扮演著至關(guān)重要的角色。光伏發(fā)電通過利用硅片的光伏效應(yīng)，將陽光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。無論是多晶硅還是單晶硅，都能產(chǎn)生光伏效應(yīng)。然而，單晶硅由于其晶體結(jié)構(gòu)更為完整，光學(xué)和電學(xué)性能更加均勻，機(jī)械強(qiáng)度更高，并且光電轉(zhuǎn)換效率也更高，因此單晶電池的轉(zhuǎn)換效率通常比多晶電池高出2到3個(gè)百分點(diǎn)。
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(tài)，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(gè)電池排列成太陽能電池板中間就會出現(xiàn)空隙，降低了整體轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)只需要99.9999%，達(dá)不到制作芯片的99.999999999%。
總結(jié)芯片為什么是方的？圓形芯片難以切割，后續(xù)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(fèi)的問題。為什么晶圓是圓的？在生產(chǎn)芯片的過程中，圓形晶圓由于力學(xué)因素生產(chǎn)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(lǐng)域，方形硅片在電池封裝時(shí)不會浪費(fèi)空間，所以光伏硅片采用方形。
部分圖文引用自-RFID世界網(wǎng)