芯课堂 ∣ 为什么晶圆是圆的而不是方的？电路为什么要铺满整个晶圆？

咱先来回答第一个问题。

晶圆为什么是圆的而不是方的？

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。

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。切片后晶圆就变成了这样：

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。定位设备可以是这样：

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。

现在来回答第二个问题。

电路为什么要铺满整个晶圆，边角不是没用吗？

是的，一个晶圆周边的Die是不完整的。

可以看出上图绿色圆圈边缘的Die,都是不完整的。如果做出下图这样的晶圆，操作不是更简单吗？

之所以不这么做，原因大致有两个方面。

光刻的重要部分遮光罩（mask）本身是方形的，它是由很多方格组成，每个方格叫做一个shot，其是曝光的最小单位。Shot包括一个或多个Die，外加一下外围测试电路。因为shot是方形的，所以每个小格也是方形的，整个mask即是它们的集合。如下图：

绿色圆形是晶圆，红色内圆是可用的部分，他们之间有一个margin。光刻就是用Mask掩盖住需要的部分，用光去除不要的部分。

这些小方块都一样，做出Mark就是小方块的简单重复，就像复制黏贴，并不浪费时间。因为shot可能包括多个Die，爆出边缘shot，有可能还有部分Die是完整的。

电路铺满整个晶圆还有个更重要的原因，即边缘效应。如果我们不做周边的电路，会对内圈材料密度产生影响，从而影响完整的Die的良率。

另外，在芯片制造工艺中，晶圆是不断加厚的，尤其是后段的金属和通孔制作工艺，会用到多次CMP化学机械研磨过程。假如晶圆边沿没有图形，会造成边缘研磨速率过慢，带来的边沿和中心的高度差，在后续的研磨过程中又会影响相邻的完整芯片。因此，即便是作为dummy pattern, 边沿的非完整shot 都需要正常曝光。

不做周围的不完整Die并没有省事，反倒因为密度改变而影响内圈Die，得不偿失，在大型的Wafer上几乎没人这么做。