晶圓為什么是圓的而不是方的？

按理說，方型的Die放在圓形的Wafer里總會不可避免有空間浪費(fèi)，為什么不做成方型的更節(jié)省空間。

因為制作工藝決定了它是圓形的。提純過后的高純度多晶硅是在一個子晶(seed)上旋轉(zhuǎn)生長出來的。多晶硅被融化后放入一個坩堝(Quartz Crucible)中，再將子晶放入坩堝中勻速轉(zhuǎn)動并且向上提拉，則熔融的硅會沿著子晶向形成一個圓柱體的硅錠(ingot)。

這種方法就是現(xiàn)在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫單晶直拉法。如下圖：

然后硅錠再經(jīng)過金剛線切割變成硅片：

硅片經(jīng)過打磨等處理后就可以進(jìn)行后續(xù)的工序了。

單晶直拉法工藝中的旋轉(zhuǎn)提拉決定了硅錠的圓柱型，從而決定晶圓是圓形的。

直拉法的過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)。

通過對提拉速率、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，晶圓的圓是因為硅棒“圓”。不過準(zhǔn)確來說，晶圓并不是完全的圓形。

為什么后來又不圓了呢？其實中間有個過程被掠過了，即Flat/Notch Grinning。

通常硅片在加工為晶圓后周圍會磨出一個缺口。

在200mm以下的硅錠上是切割一個平角，叫做Flat。

在200mm（含）以上硅錠上，為了減少浪費(fèi)，只裁剪個圓形小口，叫做Notch。切片后晶圓就變成了這樣：

如果你仔細(xì)看本文的第一個圖，就會發(fā)現(xiàn)它其實是有缺一個小豁口的。

為什么要這樣做呢？其實，這個小豁口因為太靠近邊緣而且很小，在制作Die時是注定沒有用的，這樣做可以幫助后續(xù)工序確定Wafer擺放位置，為了定位，也標(biāo)明了單晶生長的晶向。

定位設(shè)備可以是這樣：

這樣切割和測試都比較方便。嚴(yán)格意義上所有的Wafer都不是圓形的。如果忽略Flat/Notch這些小問題，那它的圓形由工藝所決定。

圓形的芯片其實更難制造

硅片在經(jīng)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(jīng)過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)比方形幾倍的時間來切割了。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)的問題。在一個晶圓上切下許多方形區(qū)域，這些區(qū)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(qū)域，中間就一定會有部分區(qū)域被浪費(fèi)，同時還不能避免晶圓外圍的浪費(fèi)。

其實節(jié)約晶圓面積始終是一項重要課題。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。

從圖片中可以簡單看出，當(dāng)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(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。

最后總結(jié)一下標(biāo)題提出的問題，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。

免責(zé)聲明：文章來源“ 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所”公眾號，轉(zhuǎn)載此文出于傳遞更多信息之目的，僅為分享和學(xué)習(xí)使用，不做任何商業(yè)用途，不代表本公司觀點(diǎn)，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其他問題，請及時聯(lián)系刪除。