為什麼做CPU的「晶圓」不做成「晶方」?方形矽片不是產量更大嗎

你是否一想到晶圓周圍被切掉的晶片就好心疼？

在製作CPU、GPU或者內存、固態硬碟晶片時，每一張晶圓的邊角部分都被「無情地」切掉了好多（下圖）：

箭頭所指處，紅圈內的Die（IC晶片）由於並不完整，因此都將被切掉廢棄

聯想到Intel當前緊俏的14nm產能（臺積電的7nm其實也不夠用），每一張晶圓上被切掉的這些Die簡直是慘無人道的浪費啊！為何不把「晶圓」做成方形，「晶方」對於IC業來說才是最完美的空間利用法則啊（比如下圖）：

如果使用方形矽基晶片，是不是就可以生產出「毫無浪費」的晶體基板了?

然而，理想是豐滿的，現實是殘酷的~ 這一切，還要從「晶圓」的誕生談起。

晶圓合理性之一：矽碇（ingot）生成法則

從砂子變為CPU晶片的旅程中，第一步就是將高純度多晶矽材料，變為適合進行「印刷」的晶片矽基板材。這裡，我們要感謝一位科技大咖——丘克拉斯基(J.Czochralski)：

丘克拉斯基(J.Czochralski)

丘克拉斯基(J.Czochralski)發明的提拉法，可以低成本製造人工無色藍寶石、紅寶石等多種寶石。

對於晶片行業來說，人造寶石的誘惑力當然是不夠的~

工程師們完善了丘克拉斯基的提拉法，將多晶矽材料（籽晶）置於籽晶杆上，在石英坩堝中加熱（約1000攝氏度），加熱過程中還需注入適當比例的惰性氣體（而非單純的空氣），以便於多晶矽融化且不和空氣中的雜質產生化學反應。途中根據籽晶表面熔融狀態提拉並轉動籽晶杆，使熔體處於過冷狀態而結晶於籽晶上（即矽晶生長過程），最終從坩堝的熔體中拉制出具有截面形狀的矽晶體柱——矽碇（ingot）：

丘克拉斯基於1917年發明的「提拉法」（Czochralski method），成為當代晶片製造業的奠基石

如果看到上述提拉法製造矽碇的生長（製作）過程有些複雜，沒關係，相信下面這張動圖能讓你豁然開朗：

丘克拉斯基於1917年發明的「提拉法」（Czochralski method），成為當代晶片製造業的

簡單來說，製作圓柱形矽碇的「手藝」，和千百年來加熱拉制玻璃的手法有異曲同工之妙

在轉動籽晶杆、拉伸籽晶熔融體的過程中，圓柱形的矽碇就被製作出來了：

轉動-拉伸，籽晶變為矽碇柱的過程，由此而來

因此，只要是拉伸法製造矽碇的規則不變，那麼矽晶圓的基礎形狀自然也不會改變了。

晶圓合理性之二：圓形更適合矽晶基板的切片、打磨、拋光過程

矽碇製作完畢之後，就要把它切割成薄薄的晶圓切片，並進行打磨拋光等預處理，然後才能進入後期的光刻流程：

第一：矽碇的金剛石砂線切片流程更適合圓形底材

晶片誕生之旅：由金剛線（高強度碳基複合材料）將圓柱形矽碇切割為一片片晶圓

上圖是Intel在十年前製作的酷睿誕生之旅短片截圖，動畫裡是用一根鋸片切割矽碇圓柱體製作晶圓，而這只是為了動畫效果，實際上，矽碇是由金剛線切割而成：

一款常見的金剛線矽晶體切片機（看起來是不是複雜了很多？）

再來一張圖，更直觀一些（圖為製作太陽能矽片的金剛石砂線切片機）

由此可見，圓柱形的矽碇，更適合均勻、快速、完整地被金剛石砂線切片機切割成片。如果把晶圓做成「晶方」。恐怕金剛石砂線的損耗率以及方形矽碇柱體的受力破損情況將突破天際了~

第二：晶圓比「晶方」更能承受打磨、拋光鍛鍊

金剛石砂線切片之後，矽晶切片（晶圓）表面肯定是粗糙不堪的。因此要進入打磨、拋光流程。顯而易見的，將一塊薄薄的方形「玻璃」，置入高速旋轉、震動的打磨拋光環境之中，邊角受損概率將會多高~

圓形幾何體在製作過程中具備更強的「抗性」

第三：晶圓更便於儲存及運輸

製作好的晶圓材料需要儲存和運輸，以便於給不同IC企業製造相應的產品。這時，晶圓比「晶方」的優勢再次體現出來：

圓形材料受力均勻，便於儲藏及運輸，極端情況下比方形材料更富耐久性和材料強度

結語

以上這幾點當然不能代表晶圓合理性的全部範疇，僅以廣大讀者方便理解的角度簡要說明。實際上，在晶圓的光刻過程中，還有非常繁瑣、複雜的流程參與，而且晶圓的形狀還會相應被改變：

我們現在看到的絕大多數「晶圓」，實際上都不是正圓形（如箭頭所指處平行切邊）

除此之外，還有其他切割形狀：

注意上圖，晶圓邊緣處有小型缺口

這些細節變化基本都是在晶圓進行最終的光刻工藝之前完成的，主要目的則是便於光刻生產時的晶圓定位、測試等等：

當然了，方形矽基底材也是有的，但它依然是從圓柱形矽碇中切割而來，並不能直接由熔爐將籽晶生成完美的矽晶立方柱：

好了，以上就是本期數碼小科普的內容。相信以後如果再有人問道：「為何晶圓不做成方形的？」讀者們應該知道答案啦~ 感謝閱讀本期內容，我們下期再見！ヾ( ω `)o~