復雜繁瑣的芯片設計流程

芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產出必要的 IC 芯片（這些會在后面介紹）。然而，沒有設計圖，擁有再強制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是 IC 設計中的建筑師究竟是誰呢？本文接下來要針對 IC 設計做介紹。

在 IC 生產流程中，IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC 芯片，提供不同規格、效能的芯片給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設計，所以 IC 設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。然而，工程師們在設計一顆 IC 芯片時，究竟有那些步驟？設計流程可以簡單分成如下。

設計第一步，訂定目標

在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規需要遵守，在確定好所有的功能之后在進行設計， 這樣才不用再花額外的時間進行后續修改。IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規範，不然，這芯片將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。最后則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定。

設計完規格后，接著就是設計芯片的細節了。這個步驟就像初步記下建筑的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性并持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例

有了完整規畫后，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

▲ 控制單元合成后的結果

最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測后，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至于光罩究竟要如何運用呢？

▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線的結果

層層光罩，疊起一顆芯片

首先，目前已經知道一顆 IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導體（MOS）？這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

下圖中，左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會產生期望的芯片了。

至此，對于 IC 設計應該有初步的了解，整體看來就很清楚 IC 設計是一門非常復雜的專業，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設計得以加速。IC 設計廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。

什么是晶圓？

在半導體的新聞中，總是會提到以尺寸標示的晶圓廠，如 8 寸或是 12 寸晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什么東西？其中 8 寸指的是什么部分？要產出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢？以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什么。

晶圓（wafer），是制造各式電腦芯片的基礎?？梢詫⑿酒圃毂葦M成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯 片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩的基板。對芯片制造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構造，可將兩塊積木穩固的疊在一起，且不需使用膠水。 芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續添加的原子和基板固定在一起。因此，需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續制造所需的條件。

在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為純化以及拉晶，之后便能完成這樣的材料。

如何制造單晶的晶圓

純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對于芯片制造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。因此，將再進一步采用西門子制程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導體制程所需的高純度多晶硅。

▲ 硅柱制造流程（Source： Wikipedia）

接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶硅融化，形成液態的硅。之后，以單晶的硅種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因為硅原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排 隊。最后，待離開液面的硅原子凝固后，排列整齊的單晶硅柱便完成了。

然而，8寸、12寸又代表什么東西呢？他指的是我們產生的晶柱，長得像鉛筆筆桿的部分，表面經過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么 難度呢？如前面所說，晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉一邊成型。有制作過棉花糖的話，應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的，而 拉晶的過程也是一樣，旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此，尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

只是，一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板，為了產生一片一片的硅晶圓，接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片，圓片再經由拋光便可形成芯片制造所需的 硅晶圓。經過這么多步驟，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是芯片制造。至于該如何制作芯片呢？

層層堆疊打造的芯片

在介紹過硅晶圓是什么東西后，同時，也知道制造 IC 芯片就像是用樂高積木蓋房子一樣，藉由一層又一層的堆疊，創造自己所期望的造型。然而，蓋房子有相當多的步驟，IC 制造也是一樣，制造 IC 究竟有哪些步驟？本文將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

在開始前，要先認識 IC 芯片是什么。IC，全名積體電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法，可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖，從圖中可以看出它的結構就像房子的樑和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會將 IC 制造比擬成蓋房子。

從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來看，底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓，從這張圖可以更明確的知道，晶圓基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分，則是于 IC 制作時要完成的地方。

首先，在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳，是一棟房子的門戶，出入都由這裡，在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此，和其他樓層相比，在興建時會比較復雜，需要較多的步驟。在 IC 電路中，這個大廳就是邏輯閘層，它是整顆 IC 中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 IC 芯片。

黃色的部分，則像是一般的樓層。和一樓相比，不會有太復雜的構造，而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的，是將紅色部分的邏輯閘相連在一 起。之所以需要這么多層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連 以滿足接線的需求。

分層施工，逐層架構

知道 IC 的構造后，接下來要介紹該如何制作。試想一下，如果要以油漆噴罐做精細作圖時，需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上。接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆乾后，再將遮板拿開。不斷的重復這個步驟后，便可完成整齊且復雜的圖形。制造 IC 就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。

制作 IC 時，可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。這個流程和油漆作畫有些許不同，IC 制造是先涂料再加做遮蓋，油漆作畫則是先遮蓋再作畫。以下將介紹各流程。

金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。

涂布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩（光罩原理留待下次說明），將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結構。接著，再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。

蝕刻技術：將沒有受光阻保護的硅晶圓，以離子束蝕刻。

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。

最后便會在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片，接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝，至于封裝廠是什么東西？就要待之后再做說明啰。

納米制程是什么？

三星以及臺積電在先進半導體制程打得相當火熱，彼此都想要在晶圓代工中搶得先機以爭取訂單，幾乎成了 14 納米與 16 納米之爭，然而 14 納米與 16 納米這兩個數字的究竟意義為何，指的又是哪個部位？而在縮小制程后又將來帶來什么好處與難題？以下我們將就納米制程做簡單的說明。

納米到底有多細微？

在開始之前，要先了解納米究竟是什么意思。在數學上，納米是 0.000000001 公尺，但這是個相當差的例子，畢竟只看得到小數點后有很多個零，卻沒有實際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話，或許會比較明顯。

用尺規實際測量的話可以得知指甲的厚度約為 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是說試著把一片指甲的側面切成 10 萬條線，每條線就約等同于 1 納米，由此可略為想像得到 1 納米是何等的微小了。

知道納米有多小之后，還要理解縮小制程的用意，縮小電晶體的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體，讓芯片不會因技術提升而變得更大；其 次，可以增加處理器的運算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最后，芯片體積縮小后，更容易塞入行動裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

再回來探究納米制程是什么，以 14 納米為例，其制程是指在芯片中，線最小可以做到 14 納米的尺寸，下圖為傳統電晶體的長相，以此作為例子?？s小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量，然而要縮小哪個部分才能達到這個目的？左下圖中的 L 就是期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度，電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端（有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋，會有更詳細的解釋）。

此外，電腦是以 0 和 1 作運算，要如何以電晶體滿足這個目的呢？做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在 Gate 端（綠色的方塊）做電壓供給，電流就會從 Drain 端到 Source 端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，這樣就可以表示 1 和 0。（至于為什么要用 0 和 1 作判斷，有興趣的話可以去查布林代數，我們是使用這個方法作成電腦的）

尺寸縮小有其物理限制

不過，制程并不能無限制的縮小，當我們將電晶體縮小到 20 納米左右時，就會遇到量子物理中的問題，讓電晶體有漏電的現象，抵銷縮小 L 時獲得的效益。作為改善方式，就是導入 FinFET（Tri-Gate）這個概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導入這個技術，能減少因物理現象所導致的漏電現象。

更重要的是，藉由這個方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統的做法中（左上圖），接觸面只有一個平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）這個技術后，接觸面將變成立體，可以輕易的增加接觸面積，這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小，對縮小尺寸有相當大的幫助。

最后，則是為什么會有人說各大廠進入 10 納米制程將面臨相當嚴峻的挑戰，主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 納米，在 10 納米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在制作上相當困難，而且只要有一個原子的缺陷，像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質，就會產生不知名的現象，影響產品的良率。

如果無法想像這個難度，可以做個小實驗。在桌上用 100 個小珠子排成一個 10×10 的正方形，并且剪裁一張紙蓋在珠子上，接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉，最后使他形成一個 10×5 的長方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達成這個目標究竟是多么艱巨。

隨著三星以及臺積電在近期將完成 14 納米、16 納米 FinFET 的量產，兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我們將看到相當精彩的商業競爭，同時也將獲得更加省電、輕薄的手機，要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。