如果你曾见过被蚀刻加工的硅晶圆——那种被切割成计算机芯片的大型圆柱状薄片——一个问题会立刻浮现在脑海：为什么它是圆的？
微芯片通常是矩形或方形的，那为什么我们要在圆形晶圆上进行蚀刻呢？每片晶圆的边缘都存在无法被制成完整芯片的边角料，这些部分永远不会进入服务器、智能手机或笔记本电脑。按照常理，圆形晶圆似乎会浪费空间和能源。那么，从方形开始不是更高效吗？
简单的答案在于冶金学。具体来说，是一种被称为“Czochralski法”的百年晶体生长工艺，这种方法至今仍是硅锭制造的行业标准。半导体制造使用的是晶体硅，而制造无瑕疵硅晶体需要一个精密的过程，最终产出的是大型圆柱状硅锭。随后，这根硅锭会被切割成我们熟悉的薄晶圆片。
不过，更有趣的答案超越了制造历史本身，涉及物理学与经济学的结合。圆形晶圆不仅仅是一种历史遗留的惯例。它的形状有助于制造商创造出构建数十亿个纳米级间距晶体管所需的高度均匀的条件。据IBM研究院的专家介绍，圆形晶圆的优势几乎贯穿半导体制造的每一个阶段。
Czochralski法
现代晶圆是从一根大型圆柱状硅晶体上切割下来的。生长出圆柱体是数十年来半导体行业所使用的晶体拉伸工艺自然产生的结果。通常以石英形式存在的纯化硅，会在炉中加热至1420摄氏度，然后将一颗单晶硅“籽晶”固定在一根旋转杆上，浸入熔融的硅液中。旋转杆沿一个方向旋转并逐渐从熔炉中提拉，同时容器向相反方向旋转，从而确保硅锭在生长过程中保持圆形。
如今用于半导体制造的晶圆，是通过波兰化学家扬·契可拉斯基（Jan Czochralski）发明方法的放大版本制成的。1916年，他发表了一篇论文，介绍了他所开发的一种用于生长大型金属晶体的方法，题为《测量金属结晶速率的新方法》。他在这项技术被应用于硅晶圆生产之前便已去世。
与许多改变世界的发现（如青霉素和爆米花）一样，Czochralski法也源于一次意外。大约110年前，在德国电气设备制造商Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft的实验室里，契可拉斯基正致力于开发和改进早期电缆及机械设备所用的材料。据说，在一次疲惫走神的时刻，这位化学家误将笔尖蘸入了正在冷却的熔融锡液坩埚中，而不是墨水瓶。他从中拉出一条锡丝，后来证明这是一根单晶体。
他记录下这一发现，并两年后发表在德国化学期刊《物理化学杂志》上。契可拉斯基本人从未找到这项技术的实际用途——他最初提出这一方法是为了测量金属结晶速率，而非用于工业规模的晶体生长。此后的几十年里，直到1953年他67岁去世前，他一直从事材料科学研究，其中一项成果是研发出一种用于铁路车厢轴承的新合金——这项发明被认为推动了欧美铁路运输的扩展。直到1954年，也就是契可拉斯基去世一年后，贝尔实验室的一个团队才制造出世界上第一个硅晶体管。
“我认为自硅晶圆制造工艺诞生以来，情况并没有太大变化，”IBM研究院高级技术人员格里塞尔达·博尼拉（Griselda Bonilla）表示。部分原因在于，这种方法在生产无缺陷硅材料方面表现极为出色，她说。
完美的圆形
晶体生长仅仅是个开始。半导体行业没有急于摒弃圆形晶圆，是有充分理由的。圆形几何结构提供了重要的物理优势。首先是热量问题。圆形结构能够将热应力和机械应力从中心向边缘均匀分布。
“根据我们在矩形芯片应力管理方面所做的大量研究，我们知道尖锐的角落是明显的应力集中点，”博尼拉说。“当你试图生长一个无缺陷的晶体时，圆柱形结构天生更容易管理，因为它能更均匀地分散应力。”如今晶体生长技术已经足够成熟，我们往往将硅的纯度视为理所当然，但工艺过程本身仍然至关重要。
圆形所具备的均匀旋转平衡性，对芯片生产工艺同样重要。而这些优势在晶圆进入制造工厂后会变得更加突出。
许多半导体制造工艺依赖于旋转。例如，在光刻过程中，一种被称为光刻胶的光敏材料会通过旋涂工艺被涂覆到晶圆上。晶圆高速旋转，使液态光刻胶能够均匀地铺展在表面上。
“正是因为晶圆是圆形并处于旋转状态，才使得化学材料能够凭借旋转对称性，完美均匀地铺展在这个圆形表面上，”IBM研究院图案化专家卢西亚娜·梅利（Luciana Meli）表示。如果晶圆是方形的，材料会在角落处堆积方式不同，从而产生不理想的差异。
同样的原理也适用于化学机械抛光（CMP）等其他工艺步骤，该工艺用于在制造阶段之间打磨晶圆表面。圆形晶圆能够让抛光过程从边缘到边缘保持更高的一致性。
圆形晶圆还简化了现代半导体制造中最重要的挑战之一：均匀性。如今的先进芯片可能在单片晶圆上包含数十、数百甚至数千个独立芯粒。每个芯粒都必须以几乎完全相同的方式制造。任何结构上的差异都可能降低良率并增加成本。IBM研究院专注于等离子体蚀刻工艺的埃里克·米勒（Eric Miller）表示，圆形结构简化了许多制造难题，使其更易于控制。
“由于晶圆是圆形的，大部分工艺变化都呈对称性，可以通过在工艺腔体中进行径向调整来解决，”米勒说。这对于基于等离子体的蚀刻工艺尤为重要。圆形工艺腔体与圆形晶圆天然支持对称的气流和温度分布。
晶体管越来越小，晶圆尺寸不变
随着晶体管持续缩小，对均匀性的需求也在不断提高。IBM近期宣布实现了亚1纳米节点工艺，打造出世界上最小的晶体管设计。梅利表示，均匀性正是晶圆形状与半导体行业未来之间的关键联系。随着制造商不断朝更小尺寸的特征推进，他们对差异的容忍度也越来越低。“均匀性和图案精度变得越来越重要，”她说。
正是这种对精度的重视，让IBM的研究人员认为高数值孔径（High-NA）EUV光刻等技术如此关键。未来几代的图案化和蚀刻工艺将需要对尺寸、定位精度以及工艺变化实现更严格的控制。
那么，为什么不改用方形晶圆以获取更多可用面积呢？行业共识是，这种权衡并不划算。“有许多工艺流程确实充分利用了晶圆的圆形特性，”梅利说。如今若要改变晶圆的形状，所需的远不止是重新设计晶圆本身，而是意味着要重建整个工具、腔体、处理系统、工艺配方和过程控制的生态系统——这是一个经过数十年优化的生态系统。
“如果放弃圆形腔体，你就会失去那种内在的对称性，”米勒说。“这将是放弃圆形晶圆所面临的最大挑战。”
不过，业界确实曾尝试改变晶圆尺寸——据博尼拉所说，这或许是晶圆唯一发生过变化的方面。最早的一些晶圆直径约为1.5英寸，多年来逐渐增大到几英寸，再到如今300毫米（约12英寸）的标准尺寸。过去二十年间，业界曾努力将晶圆尺寸扩大到450毫米，以期从每片晶圆中产出更多芯片。尽管更大的晶圆确实具备一些技术优势，但要实现这一转变，整个半导体制造生态系统所需投入的成本十分巨大。目前的晶圆加工工具生态系统仍然是围绕300毫米晶圆构建的——这一尺寸在良率与成本之间达到了半导体行业公认可以接受的平衡点。
归根结底，硅晶圆之所以是圆形的，不仅仅是因为晶体天然如此生长。圆形晶圆为几乎所有主要制造步骤——从涂覆、抛光到沉积和等离子体蚀刻——创造出了所需的均匀条件。边缘处损失的一小部分可用面积，实际上是为制造世界上最先进芯片所需的一致性所付出的一个不算高昂的代价。随着半导体技术的不断进步，圆形晶圆所带来的均匀性可能会变得比以往任何时候都更加珍贵。
Q&A
Q1：为什么硅晶圆是圆形的，而不是方形的？
A：这主要源于制造工艺，即Czochralski晶体生长法，该方法通过旋转拉伸天然形成圆柱状硅锭。此外，圆形结构能更均匀地分散热应力和机械应力，也更适配光刻、抛光、蚀刻等旋转相关的制造工艺，因此成为行业标准。
Q2：如果改用方形晶圆能提高利用率吗？
A：理论上方形晶圆能减少边缘浪费的面积，但代价太大。圆形晶圆在应力分布、涂层均匀性、抛光一致性等方面具有天然优势，若改变形状，需要重建整个工具与工艺生态系统，行业普遍认为这种权衡并不划算。
Q3：晶圆尺寸一直没变过吗？
A：并非如此。晶圆尺寸经历过多次变化，从最早约1.5英寸逐渐增长到如今的300毫米标准。业界也曾尝试推动450毫米晶圆，以提高单片产出芯片数量，但由于转型投入过大，最终300毫米仍是当前良率与成本平衡的主流标准。
