晶圓為什麼是圓的？

01-05

為啥不是方的?
周圍一圈不能用啊？

對於這個問題，我的回答就是：「因為叫做晶圓不叫做晶方！」

嘻嘻，開個玩笑，不過嚴肅說起來晶圓並不是完全的圓形，你看到的晶圓是這樣的：

為什麼我知道的晶圓是這樣的？

或是這樣的：

為什麼晶圓是圓形的？

因為製作工藝決定了它是圓形的。因為提純過後的高純度多晶硅是在一個子晶(seed)上旋轉生長出來的。多晶硅被融化後放入一個坩堝(Quartz Crucible)中，再將子晶放入坩堝中勻速轉動並且向上提拉，則熔融的硅會沿著子晶向長成一個圓柱體的硅錠(ingot)。這種方法就是現在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫單晶直拉法。如下圖：

然後硅錠在經過金剛線切割變成矽片：

在經過打磨等等處理後就可以進行後續的工序了（CPU製造的那些事之一：i7和i5其實是孿生兄弟！？）

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。

為什麼後來又不圓了呢？

那為啥後來又不圓了呢？其實這個中間有個過程掠過了，那就是Flat/Notch Grinning。

它在硅錠做出來後就要進行了。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（參考資料2）。在切片後晶圓就變成了這樣：

如果你仔細看我的第一個圖，你也會發現它其實是有缺一個小豁口的。

為什麼要這樣做呢？這不是浪費嗎？其實，這個小豁口因為太靠近邊緣而且很小，在製作Die時是註定沒有用的，這樣做可以幫助後續工序確定Wafer擺放位置，為了定位，也標明了單晶生長的晶向。定位設備可以是這樣：

這樣切割啊，測試啊都比較方便。

結論

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，那它的圓形是工藝決定的。

本文首先被發布在：為什麼晶圓都是圓的不是方的？

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參考資料：

[1]:Why are processor wafers round?

[2]: Wafer (electronics)

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這個問題老師上課時候特意問過的。爲什麽是圓的不能做成方的或其他形狀。其實只是圓形更方便。

1.拉晶工藝生產出來的是近似圓柱的單晶（晶柱），圓的形狀，有利於均勻分佈，之後再表面拋光，切割之後變成一個個圓盤。

2.圓形是等周長時表面積做大的二維圖形，加工時能夠充分利用原料，在一片晶圓上能分出最多的晶片（晶元）。

3.作為圓柱的單晶便於運輸，比有稜角的不易磕磕碰碰，邊角碎掉什麽的，方便很多。

4.在實際的加工製成當中，會發現圓形真的會方便操作。如旋干，spin coating之類的，圓形能保證均勻性神馬的。。

今天做實驗打破一片。。好難過T.T。。在做實驗的時候，如果有稜角，還是很容易磕碰掉的，si比較脆。

圖就不上了。

你都第二個問題，周圍一圈不能用。。。當然不能用，，pattern都不完整，裡面的電路只有一部份，怎麼能用~~~不過這也是個好問題，正是如此代工廠才追求更大面積的晶圓，讓周圍沒用的部份的比例減少，以此來提高良率，賺更多錢。

這是因為做晶體生長（這種大塊大晶一般用楚科拉爾斯基提拉法製造）的大鍋是個圓形。

那個系統有點像做巧克力的大鍋。模具是圓的，自然造出來就是圓的。

那麼問題來了。為什麼不能用方的模具？這個裡頭也有竅門。你要了解提拉法怎麼運作。首先是把多晶硅（純度要非常高，高中化學講的是粗硅製造，用粗硅，過改良西門子法，製造高晶硅，注，我國目前仍然無法批量獨立生產高純硅，全世界能完全做的也就德國美國和日本的幾家工廠罷了）加在一個大鍋里。然後加熱到熔點附近。接著放進去一根提拉杆（這就是提拉法名稱的來源），提拉杆的一頭加一個晶種，實驗室培養的高質量小晶體。接著放入熔點附近的液態硅里。接著，一邊轉動提拉杆，一邊冷卻。提拉出來的就是圓柱體晶圓。再切割就可以做出題圖要的那種圓形晶體了。很顯然一根長方體桿不好轉。邊角料丟進去再來一輪即可。

這個事很像做巧克力。

可參考四川大學趙北君教授（我本人本科時代最怕的教授，也是最尊敬的教授，對我幫助極大，師恩無限至今感激）的關於晶體生長理論的系列書籍。晶體生長理論也是20世紀凝聚態物理的一個巨大突破。

固態材料生長理論里最偉大的是幾大生長模型。我個人認為是20世紀絕不亞於光電效應，俄歇效應的超級成果。

我當時本科的時候喜歡逃課（去數學系旁聽），而且晚上經常打遊戲。也因此經常上課遲到。但是唯獨趙北君教授，趙奶奶早上八點的材料製備科學與技術是絕對一節都不敢逃的。她十分嚴厲而十分慈祥。這方面的書除了著名物理學家嚴濟慈先生早年的幾本書以外，能看的參考資料也就是趙奶奶的著作了。國外的教材，有一本是Shodhganga寫的。貌似全世界做這個技術的人不多。

但是，煉硅，是絕對的暴利產業。

單純從理論分析。

晶圓的製作工藝主要是拉晶 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9F%B4%E5%8F%AF%E6%8B%89%E6%96%AF%E5%9F%BA%E6%B3%95 ，這是一個在熔融物中生長晶體的過程，故溫度應在略低於熔點處。而一般認為，大部分固體在達到熔點之前，就會出現 http://en.wikipedia.org/wiki/Premelting，即形成一個液體薄層覆蓋於固體表面，固體外形則會重整使得表面能（液體-氣體，固體-液體）最小（ Wulff construction ）。如實驗觀測到的固體熔化，也往往是從稜角變圓開始的。因此很有可能圓形就是接近熔點時，晶體硅和熔融物硅達到平衡的外形。

而我們熟知的有稜角的晶體，往往是在鹽溶液中生長的，此時遠離熔點，圍繞晶體的另一個相是溶劑而不是晶體本身的熔融物。晶體外形由各晶面的能量決定。商業化的鹽晶體，往往就是具有很好晶體外形的。單晶鹽 - NaCl 基底

綜上，我認為晶圓的形狀是由製作工藝決定的。

如果晶圓是方的，你可能又要問，為什麼晶圓是方的，他總要有個形狀吧

開玩笑開玩笑，我隨便說說的

其實是有平邊的

你可以看電子封裝技術叢書——《電子封裝材料與工藝》（原著第三版）這本書的1.6.1晶錠的生長和晶圓片的製備，裡面應該有說到這個問題。我一個外行的都能看懂。這本書有PDF中文版的，可以在網上購買或者下載，祝你好運 ( ????? )

假如它是方的你又要問為什麼是方的，他總要有個形狀吧

你可以叫它晶方，只要別人聽得懂

從摺疊演算法和面積覆蓋最大化角度來說，更利於優化和處理

摸過中國科技館那根硅柱子