芯片设计和生产流程

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1、芯片设计和生产流程 大家都是电子行业的人，对芯片，对各种封装都了解不少，但是你 知道一个芯片是怎样设计出来的么？你又知道设计出来的芯片是 怎么生产出来的么？看完这篇文章你就有大概的了解。 复杂繁琐的芯片设计流程 芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上 叠的芯片制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片（这些会在后面介绍）。然而， 没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢？本文接下来要针对 IC 设计做介绍。 在 IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计，像是联发 科、高通、Intel 等

2、知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效 能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计，所以 IC 设计十分仰赖 工程师的技术，工程师的素质影响着一间企业的价值。然而，工程师们在设计一 颗 IC 芯片时，究竟有那些步骤？设计流程可以简单分成如下。 设计第一步，订定目标 在 IC 设计中， 最重要的步骤就是规格制定。 这个步骤就像是在设计建筑前， 先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后 在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类 似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。 规格制定的第一步便是确定 IC

3、的目的、效能为何，对大方向做设定。接着 是察看有哪些协定要符合， 像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範， 不然，这芯片将无法和市面上的产品相容，使它无法和其他设备连线。最后则是 确立这颗 IC 的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连 结的方法，如此便完成规格的制定。 设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的 规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬体描述 语言（HDL）将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由 程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。 接着就是检

4、查程式功能的正确性 并持续修改，直到它满足期望的功能为止。 32 bits 加法器的 Verilog 范例。 有了电脑，事情都变得容易 有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中，逻辑合 成这个步骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反 覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。 控制单元合成后的结果。 最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线 （Place And Route）。在经过不断的检测后，便会形成如下的

5、电路图。图中可 以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光 罩究竟要如何运用呢？ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成电路布局与绕线的结果。 层层光罩，叠起一颗芯片 首先， 目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩， 这些光罩有上下层的分别， 每层有各自的任务。 下图为简单的光罩例子， 以积体电路中最基本的元件 CMOS 为範例，CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal oxidesemiconductor），也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合，形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体（MOS）？这种在芯片中广泛使用

6、的元 件比较难说明，一般读者也较难弄清，在这裡就不多加细究。 下图中，左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，在前面已经知道每 种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是，便由底层开 始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的 芯片了。 至此，对于 IC 设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚 IC 设计是一门 非常复杂的专业，也多亏了电脑辅助软体的成熟，让 IC 设计得以加速。IC 设 计厂十分依赖工程师的智慧，这裡所述的每个步骤都有其专门的知识，皆可独立 成多门专业的课程，像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言，还 需要了解逻辑电

7、路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如 何将程式转换成逻辑闸等问题。 什么是晶圆？ 在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如 8 寸或是 12 寸 晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中 8 寸指的是什么部分？要产 出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢？以下将逐步介绍半导体最重要的基础 晶圆到底是什么。 晶圆（wafer），是制造各式电脑芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成 用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式 芯片）。然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所 意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。对

8、芯片制造来说，这个基板 就是接下来将描述的晶圆。 （Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0） 首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小 圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用 胶水。 芯片制造， 也是以类似这样的方式， 将后续添加的原子和基板固定在一起。 因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。 在固体材料中，有一种特殊的晶体结构单晶（Monocrystalline）。它具 有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因 此，采用单晶做成晶圆，便可以满足

9、以上的需求。然而，该如何产生这样的材料 呢，主要有二个步骤，分别为纯化以及拉晶，之后便能完成这样的材料。 如何制造单晶的晶圆 纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化 还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅。大部份的金属提炼，像是铁 或铜等金属，皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是，98% 对于芯片 制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。因此，将再进一步采用西门子制程 （Siemens process）作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。 硅柱制造流程（Source： Wikipedia） 接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多

10、晶硅融化，形成液 态的硅。之后，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的 向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需 要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道 该如何排队。 最后， 待离开液面的硅原子凝固后， 排列整齐的单晶硅柱便完成了。 单晶硅柱（Souse：Wikipedia） 然而，8 寸、12 寸又代表什么东西呢？他指的是我们产生的晶柱，长得像 铅笔笔桿的部分，表面经过处理并切成薄圆片后的直径。至于制造大尺寸晶圆又 有什么难度呢？如前面所说，晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样，一边旋转 一边成型。有制作过棉花糖

11、的话，应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当 困难的，而拉晶的过程也是一样，旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶 柱的品质。也因此，尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高，因此要做出 高品质 12 寸晶圆的难度就比 8 寸晶圆还来得高。 只是，一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶 圆， 接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制 造所需的硅晶圆。经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆 叠房子的步骤，也就是芯片制造。至于该如何制作芯片呢？ 层层堆叠打造的芯片 在介绍过硅晶圆是什么东西后，同时，也知道制造 IC 芯片就像是用乐

12、高积 木盖房子一样，藉由一层又一层的堆叠，创造自己所期望的造型。然而，盖房子 有相当多的步骤，IC 制造也是一样，制造 IC 究竟有哪些步骤？本文将将就 IC 芯片制造的流程做介绍。 在开始前，我们要先认识 IC 芯片是什么。IC，全名积体电路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来。藉由 这个方法，我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。下图为 IC 电路的 3D 图，从图中可以看出它的结构就像房子的樑和柱，一层一层堆叠，这也就是为何 会将 IC 制造比拟成盖房子。 IC 芯片的 3D 剖面图。（Source：Wikipedia） 从上图

13、中 IC 芯片的 3D 剖面图来看，底部深蓝色的部分就是上一篇介绍 的晶圆， 从这张图可以更明确的知道， 晶圆基板在芯片中扮演的角色是何等重要。 至于红色以及土黄色的部分，则是于 IC 制作时要完成的地方。 首先，在这裡可以将红色的部分比拟成高楼中的一楼大厅。一楼大厅，是一 栋房子的门户，出入都由这裡，在掌握交通下通常会有较多的机能性。因此，和 其他楼层相比，在兴建时会比较复杂，需要较多的步骤。在 IC 电路中，这个大 厅就是逻辑闸层， 它是整颗 IC 中最重要的部分， 藉由将多种逻辑闸组合在一起， 完成功能齐全的 IC 芯片。 黄色的部分，则像是一般的楼层。和一楼相比，不会有太复杂的构造，而

14、且 每层楼在兴建时也不会有太多变化。这一层的目的，是将红色部分的逻辑闸相连 在一起。之所以需要这么多层，是因为有太多线路要连结在一起，在单层无法容 纳所有的线路下，就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中，不同层的线路会 上下相连以满足接线的需求。 分层施工，逐层架构 知道 IC 的构造后，接下来要介绍该如何制作。试想一下，如果要以油漆喷 罐做精细作图时，我们需先割出图形的遮盖板，盖在纸上。接着再将油漆均匀地 喷在纸上，待油漆乾后，再将遮板拿开。不断的重复这个步骤后，便可完成整齐 且复杂的图形。制造 IC 就是以类似的方式，藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起 来。 制作 IC 时，可以简单分成以上

15、4 种步骤。虽然实际制造时，制造的步骤 会有差异，使用的材料也有所不同，但是大体上皆采用类似的原理。这个流程和 油漆作画有些许不同，IC 制造是先涂料再加做遮盖，油漆作画则是先遮盖再作 画。以下将介绍各流程。 金属溅镀：将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片上，形成一薄膜。 涂布光阻： 先将光阻材料放在晶圆片上， 透过光罩 （光罩原理留待下次说明） ， 将光束打在不要的部分上，破坏光阻材料结构。接着，再以化学药剂将被破坏的 材料洗去。 蚀刻技术：将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。 光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。 最后便会在一整片晶圆上完成很多 IC 芯片，接下来

16、只要将完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封装厂做封装，至于封装厂是什么东西？就要待之后再做说 明啰。 各种尺寸晶圆的比较。（Source：Wikipedia） 纳米制程是什么？ 三星以及台积电在先进半导体制程打得相当火热， 彼此都想要在晶圆代工中 抢得先机以争取订单， 几乎成了 14 纳米与 16 纳米之争， 然而 14 纳米与 16 纳米这两个数字的究竟意义为何， 指的又是哪个部位？而在缩小制程后又将来带 来什么好处与难题？以下我们将就纳米制程做简单的说明。 纳米到底有多细微？ 在开始之前，要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上，纳米是 0.000000001 公尺，但这是个相当差的例子，毕竟我们只看得到小数点后有很 多个零，却没有实际的感觉。如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显。 用尺规实际测量的话可以得知指甲的厚度约为 0.0001 公尺（0.1 毫米）， 也就是说试着把一片指甲的侧面切成 10 万条线，每条线就约等同于 1 纳米， 由此可略为想像得到 1 纳米是何等的微小了。 知道纳米有多小之后， 还要理解缩小制程的用意， 缩小电