为什么晶圆是圆的？芯片是方的？

 

因为它叫晶圆，不叫晶方。开个玩笑。

按理说，方型的die放在圆形的wafer里总会不可避免有空间浪费，为什么不做成方型的更节省空间。

Die：晶圆生产完成后，将各集成电路切割分开，成为晶粒，一粒、一粒的，每一粒就是一个集成电路，也就是未封装的芯片，即裸晶。

Wafer：即晶圆，由纯硅（Si）构成。一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等，Die就是基于wafer上生产出来的。

 

因为制作工艺决定了它是圆形的。提纯过后的高纯度多晶硅是在一个子晶(seed)上旋转生长出来的。多晶硅被融化后放入一个坩埚(Quartz Crucible)中，再将子晶放入坩埚中匀速转动并且向上提拉，则熔融的硅会沿着子晶向形成一个圆柱体的硅锭(ingot)。这种方法就是现在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫单晶直拉法。如下图：

然后硅锭再经过金刚线切割变成硅片：

硅片经过打磨等处理后就可以进行后续的工序了。

单晶直拉法工艺中的旋转提拉决定了硅锭的圆柱型，从而决定晶圆是圆形的。

为什么后来又不圆了呢？其实中间有个过程被掠过了，即Flat/Notch Grinning。

其在硅锭做出来后就要进行。在200mm以下的硅锭上是切割一个平角，叫做Flat。在200mm（含）以上硅锭上，为了减少浪费，只裁剪个圆形小口，叫做Notch。

 

如果你仔细看本文的第一个图，就会发现它其实是有缺一个小豁口的。

为什么要这样做呢？其实，这个小豁口因为太靠近边缘而且很小，在制作Die时是注定没有用的，这样做可以帮助后续工序确定Wafer摆放位置，为了定位，也标明了单晶生长的晶向。

 

这样切割和测试都比较方便。严格意义上所有的Wafer都不是圆形的。如果忽略Flat/Notch这些小问题，那它的圆形由工艺所决定。

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。

想象一下，方形的芯片仅需几刀就可以全部切下。如果是圆形的芯片呢？恐怕就要耗费比方形几倍的时间来切割了。从封装方向看，方形的芯片也便于进行引线操作，即使是Flip chip型封装，方形也更方便机器操作芯片将I/O接口与焊盘对齐。

最重要的一点，圆形芯片并不能解决硅片面积浪费的问题。在一个晶圆上切下许多方形区域，这些区域中间不会有缝隙，仅会在晶圆边缘留下空余。但如果从一个平面上切下很多圆形的区域，中间就一定会有部分区域被浪费，同时还不能避免晶圆外围的浪费。

 

圆形排列会有缝隙

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

从图片中可以简单看出，当芯片面积固定时，采用更大的晶圆可以有效提升晶圆利用率。以国际上Fab厂通用的计算公式看： 

在12寸晶圆上生产100mm²的芯片约能生产660块芯片，而采用8寸晶圆，就只有180块芯片，晶圆面积减少50%，但芯片数量却少了72%。因此，目前12寸晶圆成为全球更大IDM与foundry厂商的主要战场。我国目前只有少量企业拥有12英寸的半导体硅片制造技术，国内企业正在加速追赶世界前列。 

从晶圆利用率看，目前不可能有圆形的芯片了，但是真的存在方形的“晶圆”，不仅存在还很常见。

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。

光伏发电是利用硅片的光伏效应，将阳光辐射能直接转换为电能的发电形式。晶体硅的光伏效应多晶与单晶都适用，不过单晶硅晶体完整，光学和电学性质均一，机械强度更高，且光电转换更高效，所以单晶电池转换效率可以比多晶电池高2-3个百分点。

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，都是先将高纯硅加热至熔融态，再从中拉出一根单晶硅棒。切片前，光伏硅会先将硅棒切成长方体，这样硅片的横截面就变成方形了。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

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。

审核编辑：刘清