2018/4/21 11:01:02
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。
①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 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。
接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，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。
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？
③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。
从上图中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。
最后便会在一整片晶圆上完成很多IC 芯片，接下来只要将完成的方形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。
其中，主要晶圆代工厂有格罗方德、三星电子、Tower Jazz、Dongbu、美格纳、IBM、富士通、英特尔、海力士、台积电、联电、中芯国际、力晶、华虹、德茂、武汉新芯、华微、华立、力芯。
④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，