為什么芯片是方的，晶圓是圓的？

熟悉半導(dǎo)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(guò)我們見(jiàn)到的芯片都是方形的，在圓形的晶圓上制造芯片，總會(huì)有部分區(qū)域沒(méi)有利用到。所以為什么不能使用方形的晶圓來(lái)增大利用率呢？

晶圓 ?圖源：互聯(lián)網(wǎng)

其實(shí)這個(gè)問(wèn)題很好回答，因?yàn)榫A（剛開(kāi)始是硅片）是在圓柱形的硅棒上切割出來(lái)的，所以橫截面只能是圓形。那么問(wèn)題又來(lái)了，為什么硅棒是圓柱形的？本文中與非網(wǎng)將向你介紹半導(dǎo)體制造的上游產(chǎn)業(yè)，硅片與晶圓的制造過(guò)程。

晶圓比 “晶方”更適合做芯片

我們總調(diào)侃芯片本質(zhì)上就是一堆沙子，這句話并沒(méi)有說(shuō)錯(cuò)。制造芯片的基礎(chǔ)——單晶硅就從石英砂中制取的。

從沙子變成芯片的關(guān)鍵，在于硅的提純與單晶硅制備工藝的發(fā)展。1916年，波蘭化學(xué)家柴可拉斯基不小心將鋼筆浸入了熔錫坩堝內(nèi)而不是墨水瓶中，他立即拔出鋼筆，發(fā)現(xiàn)筆尖上掛著一根凝固的金屬絲。柴可拉斯基通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這根金屬線由金屬單晶構(gòu)成，且單晶體的直徑達(dá)到毫米級(jí)。此后該方法經(jīng)過(guò)化學(xué)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(duì)應(yīng)，多晶體是由許多小晶粒組成的，晶粒之間的排列沒(méi)有規(guī)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(fù)的單晶機(jī)構(gòu)來(lái)提供穩(wěn)定的電學(xué)與機(jī)械性質(zhì)，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(guò)程是先在坩堝中將高純硅加熱為熔融態(tài)，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(tài)的硅，然后將棒緩慢向上提拉并旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)提拉速率、旋轉(zhuǎn)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(xù)再對(duì)硅棒進(jìn)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(shuō)，晶圓的圓是因?yàn)楣璋簟皥A”。不過(guò)準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，晶圓并不是完全的圓形。通常硅片在加工為晶圓后周圍會(huì)磨出一個(gè)缺口（200mm一下切割一個(gè)平角，200mm以上為了避免浪費(fèi)會(huì)剪出一個(gè)小口），這是為了標(biāo)明硅晶的生長(zhǎng)方向，也便于后續(xù)的光刻、刻蝕步驟中對(duì)晶圓進(jìn)行定位。

在硅棒上切口 ?圖源：互聯(lián)網(wǎng)

其實(shí)硅棒在切片之前可以先切割成長(zhǎng)方體，這樣后續(xù)切片時(shí)就能直接得到“晶方”。不過(guò)用來(lái)生產(chǎn)芯片的硅棒不會(huì)這樣做，原因有以下幾個(gè)：

首先是圓形更適合進(jìn)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(guò)旋轉(zhuǎn)的方式將光刻膠甩開(kāi)并鋪滿整個(gè)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(gè)角處會(huì)發(fā)生光刻膠堆積，最終影響整體的光刻效果，導(dǎo)致良率下降，浪費(fèi)更多。

此外，由于邊緣應(yīng)力的存在，圓形晶圓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也高于方形。硅片在變成晶圓之前需要進(jìn)行多次光刻、刻蝕、化學(xué)研磨等過(guò)程，晶圓會(huì)在外圈積累較多應(yīng)力。因此方形的尖角會(huì)造成邊緣應(yīng)力集中，在生產(chǎn)過(guò)程中極易破損，影響整體良率。

有細(xì)心的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，為什么有的晶圓外圈是沒(méi)有芯片的，而有的晶圓電路鋪盤整片硅片，晶圓外圈也會(huì)出現(xiàn)不完整的芯片呢？

晶圓外圈各不相同 ?圖源：互聯(lián)網(wǎng)

這其實(shí)和光刻中的光掩膜（Mask，或稱遮光罩、光刻版）尺寸有關(guān)。光刻本質(zhì)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(huì)在透過(guò)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(wǎng)格組成，每個(gè)方格叫做一個(gè)Shot，它是曝光的最小單位。Shot包括一個(gè)或多個(gè)Die與外圍測(cè)試電路。Shot是方形的，所以Die也是方形的。光掩膜大小通常會(huì)覆蓋晶圓的所有區(qū)域，因此在晶圓邊緣處會(huì)出現(xiàn)不完整的小方格。此外，由于邊緣效應(yīng)，如果光刻后不制作周邊電路，會(huì)對(duì)圈內(nèi)外的材料密度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響整體良率。業(yè)內(nèi)人士關(guān)于這一現(xiàn)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(huì)用到多次CMP化學(xué)機(jī)械研磨過(guò)程。假如晶圓邊沿沒(méi)有圖形，會(huì)造成邊緣研磨速率過(guò)慢，帶來(lái)的邊沿和中心的高度差，在后續(xù)的研磨過(guò)程中又會(huì)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?！?/p>

綠圈是晶圓面積，紅圈內(nèi)是可用部分 ?圖源：知乎

不過(guò)晶圓外圈的芯片一般是不會(huì)用的。上文提到，由于生產(chǎn)流程的關(guān)系，晶圓外圍一定會(huì)有一部分應(yīng)力存在，在這里生產(chǎn)出來(lái)的芯片，內(nèi)部同樣會(huì)留存應(yīng)力，后續(xù)的切割、封裝、運(yùn)輸過(guò)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(chǎn)芯片時(shí)，都會(huì)選擇在整片晶圓上鋪滿電路來(lái)提升良率，這也是有的晶圓外圈有芯片，有的沒(méi)有的原因。

總的來(lái)說(shuō)，圓形的晶圓更便于芯片制造，良率較高。既然用來(lái)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(shí)更難制造

硅片在經(jīng)過(guò)涂膠、光刻、刻蝕、離子注入等步驟后，一顆顆芯片才會(huì)被制造出來(lái)，不過(guò)此時(shí)芯片還是“長(zhǎng)”在晶圓上的，需要經(jīng)過(guò)切割才能變成一顆顆單獨(dú)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(fèi)比方形幾倍的時(shí)間來(lái)切割了。從封裝方向看，方形的芯片也便于進(jìn)行引線操作，即使是Flip chip型封裝，方形也更方便機(jī)器操作芯片將I/O接口與焊盤對(duì)齊。

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

圓形排列會(huì)有縫隙 ?圖源：ZWsoft

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。

晶圓越大，空余面積越小 ?圖源：UEFIBlog

從圖片中可以簡(jiǎn)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(guó)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(chǎng)。我國(guó)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(guó)內(nèi)企業(yè)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(jiàn)。

方形的光伏硅片

硅片除了可以制作芯片外，在光伏領(lǐng)域也是極其重要的部分。

光伏發(fā)電是利用硅片的光伏效應(yīng)，將陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。晶體硅的光伏效應(yīng)多晶與單晶都適用，不過(guò)單晶硅晶體完整，光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)均一，機(jī)械強(qiáng)度更高，且光電轉(zhuǎn)換更高效，所以單晶電池轉(zhuǎn)換效率可以比多晶電池高2-3個(gè)百分點(diǎn)。

太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)（電池片即為硅片） ?圖源：知乎

光伏單晶硅的制備過(guò)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?gòu)闹欣鲆桓鶈尉Ч璋簟Ｇ衅?，光伏硅?huì)先將硅棒切成長(zhǎng)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(jiǎn)單，如果光伏電池是圓形的，多個(gè)電池排列成太陽(yáng)能電池板中間就會(huì)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(duì)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%。

半導(dǎo)體硅片與光伏硅片區(qū)別 ?圖源：恰基小組

總結(jié)

回答一下標(biāo)題提出的問(wèn)題，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(wèn)題。為什么晶圓是圓的？在生產(chǎn)芯片的過(guò)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(guò)在光伏領(lǐng)域，方形硅片在電池封裝時(shí)不會(huì)浪費(fèi)空間，所以光伏硅片采用方形。

參考資料：

晶圓的邊緣為什么要“鋪滿”電路？https://www.zhihu.com/question/22961633

半導(dǎo)體系列之原材料——硅片https://mp.weixin.qq.com/s/JauLPXCagbVhcU3Tuhqdwg

維基百科：柴可拉斯基（Jan Czochralski）https://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Czochralski