為什么晶圓是圓的？芯片是方的？

因為它叫晶圓，不叫晶方。開個玩笑。

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，為什么不做成方型的更節(jié)省空間。

Die：晶圓生產完成后，將各集成電路切割分開，成為晶粒，一粒、一粒的，每一粒就是一個集成電路，也就是未封裝的芯片，即裸晶。

Wafer：即晶圓，由純硅（Si）構成。一般分為6英寸、8英寸、12英寸規(guī)格不等，Die就是基于wafer上生產出來的。

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：

然后硅錠再經過金剛線切割變成硅片：

硅片經過打磨等處理后就可以進行后續(xù)的工序了。

單晶直拉法工藝中的旋轉提拉決定了硅錠的圓柱型，從而決定晶圓是圓形的。

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。

其在硅錠做出來后就要進行。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，只裁剪個圓形小口，叫做Notch。

如果你仔細看本文的第一個圖，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，也標明了單晶生長的晶向。

這樣切割和測試都比較方便。嚴格意義上所有的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，需要經過切割才能變成一顆顆單獨的芯片。

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行引線操作，即使是Flip chip型封裝，方形也更方便機器操作芯片將I/O接口與焊盤對齊。

最重要的一點，圓形芯片并不能解決硅片面積浪費的問題。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，同時還不能避免晶圓外圍的浪費。

圓形排列會有縫隙

其實節(jié)約晶圓面積始終是一項重要課題。晶圓上能生產的芯片越多，生產效率就越高，單顆芯片的成本也越低。目前解決生產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

從圖片中可以簡單看出，當芯片面積固定時，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100mm2的芯片約能生產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英寸的半導體硅片制造技術，國內企業(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。

方形的光伏硅片

硅片除了可以制作芯片外，在光伏領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，將陽光輻射能直接轉換為電能的發(fā)電形式。晶體硅的光伏效應多晶與單晶都適用，不過單晶硅晶體完整，光學和電學性質均一，機械強度更高，且光電轉換更高效，所以單晶電池轉換效率可以比多晶電池高2-3個百分點。

太陽能電池板結構（電池片即為硅片）

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，純度標準只需要99.9999%，達不到制作芯片的99.999999999%。

半導體硅片與光伏硅片區(qū)別

總結

回答一下標題提出的問題，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的問題。為什么晶圓是圓的？在生產芯片的過程中，圓形晶圓由于力學因素生產更方便，良率更高，且硅棒天然是圓柱型，晶圓自然也就是圓形了。不過在光伏領域，方形硅片在電池封裝時不會浪費空間，所以光伏硅片采用方形。

審核編輯：劉清