晶圆为什么是圆的？
晶圆之所以是圆的，这背后其实藏着许多历史演变、技术需求以及物理规律的综合考量。简单来说，它的圆形形状是为了适应半导体制造过程中最关键也是最核心的几个环节。
1. 根源：单晶硅的生长方式
首先，要理解晶圆为什么是圆的，我们得从它的“原材料”——单晶硅的生长说起。现代半导体制造依赖的是高度纯净、结构规整的单晶硅。而目前最主流的单晶硅生长技术是 柴可拉斯基法（Czochralski method，简称CZ法）。
CZ法的原理： 想象一下，你有一大锅融化的纯硅，然后你伸进去一根小小的、同样是单晶硅的“种子”棒，并且慢慢地、以特定的速度旋转并向上提拉。当硅熔液接触到种子棒时，硅原子会沿着种子棒的晶格结构有序地沉积，从而生长出一个巨大的、圆柱形的单晶硅锭。
为什么是圆柱形？ CZ法的核心在于“拉”的过程。种子棒在旋转的同时被匀速向上拉动，硅熔液以一种相对均匀的方式在拉动方向上凝固。这种旋转拉伸的动作，自然而然地会形成一个圆形截面的柱体。想象一下你拉面条，如果用力均匀且旋转，面条就是圆柱形。硅锭也是同理，在熔融状态下，表面张力也会促使它倾向于形成最小表面积的形状，对于一个在轴向拉伸的柱体来说，圆形是最稳定的。
2. 切割与抛光：制造工艺的必然
长出来的巨大单晶硅锭，才是我们加工晶圆的“毛料”。
滚圆（Grinding）： 刚长出来的硅锭，虽然整体是圆柱形的，但表面可能不会那么完美。为了后续的加工和确保每一片晶圆的尺寸精度，首先需要对硅锭进行“滚圆”处理，将其外侧不规则的部分磨掉，得到一个极其光滑、精确的圆形截面。
切割（Slicing）： 一旦硅锭被处理成光滑的圆柱体，下一步就是把它切成薄片，也就是我们所说的晶圆。切割通常使用一种非常精密的、带有金刚石颗粒的内圆切割砂轮。这种砂轮的内侧是锋利的，当它旋转着穿过硅锭时，就能将其切割成薄片。
为什么不切成方形？ 如果硅锭是方形的，我们理论上可以用方形的刀具去切。但考虑到硅锭是圆柱体，而且为了最大限度地利用材料，切割过程中我们需要以圆心为基准进行切割。用内圆切割砂轮，才能高效且精确地从圆柱体上切下连续的薄片，每一片薄片自然也就呈圆形。
外缘切口（Notch/Flat）： 在晶圆的边缘，你会看到一个小小的缺口（Notch）或者一个平滑的切口（Flat）。这同样是历史演变和工艺需求的结果。
早期（Flat）： 最早的时候，为了区分硅的晶体取向（比如 [100] 还是 [111]），会在圆柱体的一侧或多侧磨出一条或几条平滑的长条（Flat）。这代表了硅晶体的特定晶向。
现在（Notch）： 随着技术发展，为了更精确地定位，并且方便自动化设备识别，尤其是在晶圆制造过程中需要将硅锭旋转并精确对准以切割时，引入了“缺口”（Notch）。这个缺口也同样是为了指示晶体的取向。
3. 自动化与效率：设备设计的核心
晶圆的圆形形状，也与半导体制造过程中高度自动化的设备设计息息相关。
旋转平台（Chuck/Carrier）： 晶圆在制造过程中的每一个环节，都需要被放置在一个旋转平台上（通常是静电吸盘，称为Chuck）。这些设备都是围绕着圆形的晶圆来设计的。一个圆形的工件，在旋转平台上更容易被精确地定位、夹持和旋转，实现360度的全方位加工。
传送系统： 自动化传送系统（如晶圆盒 Wafer Cassette）的设计也更倾向于圆形。圆形工件更容易在盒子里堆叠整齐，也更容易被机械臂抓取和放置。
均匀性： 在很多工艺步骤中，例如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、光刻（Lithography）等，需要确保整个晶圆表面受到均匀的能量或物质照射/沉积。圆形的形状以及设备的旋转，能最有效地实现这种旋转对称的均匀性。想象一下，如果晶圆是方形的，光刻机如何确保边缘和角落的光照剂量与中心一致？圆形配合旋转，就大大简化了设备设计和工艺控制。
4. 材料利用率与成本
虽然直接从圆柱体上切下圆形晶圆，会不可避免地在边缘产生一些浪费（就是切掉的“边角料”），但总体来说，圆形的结构是目前技术条件下最能平衡材料利用率、加工效率和最终产品质量的选择。
避免应力集中： 方形的晶圆在边缘处容易产生应力集中，尤其是在高温等加工过程中，这可能导致晶圆破裂或产生缺陷。圆形则能更好地分散应力。
优化切割： 从圆形硅锭上切割出圆形晶圆，其切割路径是连续且可控的，这比切割方形晶圆（需要考虑直线切割和可能的角部处理）更容易实现高良率。
总结来说，晶圆是圆的，并非偶然，而是：
柴可拉斯基法生长单晶硅的物理必然。
后续切割、抛光和边缘处理工艺的直接结果。
自动化生产设备设计中最便于定位、夹持和实现旋转均匀性的形状。
一种在材料利用、加工效率和成品质量之间取得平衡的设计。
从最初实验室里的粗糙硅块，到如今直径300毫米（12英寸）的精致圆片，晶圆的圆形设计，承载了半导体工业一路走来的技术革新和对极致精密的追求。
1. 根源：单晶硅的生长方式
首先，要理解晶圆为什么是圆的，我们得从它的“原材料”——单晶硅的生长说起。现代半导体制造依赖的是高度纯净、结构规整的单晶硅。而目前最主流的单晶硅生长技术是 柴可拉斯基法（Czochralski method，简称CZ法）。
CZ法的原理： 想象一下，你有一大锅融化的纯硅，然后你伸进去一根小小的、同样是单晶硅的“种子”棒，并且慢慢地、以特定的速度旋转并向上提拉。当硅熔液接触到种子棒时，硅原子会沿着种子棒的晶格结构有序地沉积，从而生长出一个巨大的、圆柱形的单晶硅锭。
为什么是圆柱形？ CZ法的核心在于“拉”的过程。种子棒在旋转的同时被匀速向上拉动，硅熔液以一种相对均匀的方式在拉动方向上凝固。这种旋转拉伸的动作，自然而然地会形成一个圆形截面的柱体。想象一下你拉面条，如果用力均匀且旋转，面条就是圆柱形。硅锭也是同理，在熔融状态下，表面张力也会促使它倾向于形成最小表面积的形状，对于一个在轴向拉伸的柱体来说，圆形是最稳定的。
2. 切割与抛光：制造工艺的必然
长出来的巨大单晶硅锭，才是我们加工晶圆的“毛料”。
滚圆（Grinding）： 刚长出来的硅锭，虽然整体是圆柱形的，但表面可能不会那么完美。为了后续的加工和确保每一片晶圆的尺寸精度，首先需要对硅锭进行“滚圆”处理，将其外侧不规则的部分磨掉，得到一个极其光滑、精确的圆形截面。
切割（Slicing）： 一旦硅锭被处理成光滑的圆柱体，下一步就是把它切成薄片，也就是我们所说的晶圆。切割通常使用一种非常精密的、带有金刚石颗粒的内圆切割砂轮。这种砂轮的内侧是锋利的，当它旋转着穿过硅锭时，就能将其切割成薄片。
为什么不切成方形？ 如果硅锭是方形的，我们理论上可以用方形的刀具去切。但考虑到硅锭是圆柱体，而且为了最大限度地利用材料，切割过程中我们需要以圆心为基准进行切割。用内圆切割砂轮，才能高效且精确地从圆柱体上切下连续的薄片，每一片薄片自然也就呈圆形。
外缘切口（Notch/Flat）： 在晶圆的边缘，你会看到一个小小的缺口（Notch）或者一个平滑的切口（Flat）。这同样是历史演变和工艺需求的结果。
早期（Flat）： 最早的时候，为了区分硅的晶体取向（比如 [100] 还是 [111]），会在圆柱体的一侧或多侧磨出一条或几条平滑的长条（Flat）。这代表了硅晶体的特定晶向。
现在（Notch）： 随着技术发展，为了更精确地定位，并且方便自动化设备识别，尤其是在晶圆制造过程中需要将硅锭旋转并精确对准以切割时，引入了“缺口”（Notch）。这个缺口也同样是为了指示晶体的取向。
3. 自动化与效率：设备设计的核心
晶圆的圆形形状，也与半导体制造过程中高度自动化的设备设计息息相关。
旋转平台（Chuck/Carrier）： 晶圆在制造过程中的每一个环节，都需要被放置在一个旋转平台上（通常是静电吸盘，称为Chuck）。这些设备都是围绕着圆形的晶圆来设计的。一个圆形的工件，在旋转平台上更容易被精确地定位、夹持和旋转，实现360度的全方位加工。
传送系统： 自动化传送系统（如晶圆盒 Wafer Cassette）的设计也更倾向于圆形。圆形工件更容易在盒子里堆叠整齐，也更容易被机械臂抓取和放置。
均匀性： 在很多工艺步骤中，例如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、光刻（Lithography）等，需要确保整个晶圆表面受到均匀的能量或物质照射/沉积。圆形的形状以及设备的旋转，能最有效地实现这种旋转对称的均匀性。想象一下，如果晶圆是方形的，光刻机如何确保边缘和角落的光照剂量与中心一致？圆形配合旋转，就大大简化了设备设计和工艺控制。
4. 材料利用率与成本
虽然直接从圆柱体上切下圆形晶圆，会不可避免地在边缘产生一些浪费（就是切掉的“边角料”），但总体来说，圆形的结构是目前技术条件下最能平衡材料利用率、加工效率和最终产品质量的选择。
避免应力集中： 方形的晶圆在边缘处容易产生应力集中，尤其是在高温等加工过程中，这可能导致晶圆破裂或产生缺陷。圆形则能更好地分散应力。
优化切割： 从圆形硅锭上切割出圆形晶圆，其切割路径是连续且可控的，这比切割方形晶圆（需要考虑直线切割和可能的角部处理）更容易实现高良率。
总结来说，晶圆是圆的，并非偶然，而是：
柴可拉斯基法生长单晶硅的物理必然。
后续切割、抛光和边缘处理工艺的直接结果。
自动化生产设备设计中最便于定位、夹持和实现旋转均匀性的形状。
一种在材料利用、加工效率和成品质量之间取得平衡的设计。
从最初实验室里的粗糙硅块，到如今直径300毫米（12英寸）的精致圆片，晶圆的圆形设计，承载了半导体工业一路走来的技术革新和对极致精密的追求。
网友意见
对于这个问题，我的回答就是：“因为叫做晶圆不叫做晶方！”
嘻嘻，开个玩笑，不过严肃说起来晶圆并不是完全的圆形，你看到的晶圆是这样的：
为什么我知道的晶圆是这样的？
或是这样的：
为什么晶圆是圆形的？
因为制作工艺决定了它是圆形的。因为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长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：
然后硅锭在经过金刚线切割变成硅片：
在经过打磨等等处理后就可以进行后续的工序了（CPU制造的那些事之一：i7和i5其实是孪生兄弟！？）
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？
那为啥后来又不圆了呢？其实这个中间有个过程掠过了，那就是Flat/Notch Grinning。
它在硅锭做出来后就要进行了。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（参考资料2）。在切片后晶圆就变成了这样：
如果你仔细看我的第一个图，你也会发现它其实是有缺一个小豁口的。
为什么要这样做呢？这不是浪费吗？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。定位设备可以是这样：
这样切割啊，测试啊都比较方便。
结论
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，那它的圆形是工艺决定的。
本文首先被发布在：为什么晶圆都是圆的不是方的？
其他半导体相关文章：
参考资料：
[1]:Why are processor wafers round?
[2]: Wafer (electronics)
其他更多文章，大家可以关注我的专栏UEFI和BIOS探秘，和微信公众号"UEFIBlog"，在那里有最新的文章。
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