【E課堂】詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

　　層層光罩，疊起一顆芯片

　　首先，目前已經(jīng)知道一顆 IC 會(huì)產(chǎn)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(wù)。下圖為簡(jiǎn)單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為范例，CMOS 全名為互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal–oxide–semiconductor)，也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)?這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說(shuō)明，一般讀者也較難弄清，在這里就不多加細(xì)究。

　　下圖中，左邊就是經(jīng)過(guò)電路布局與繞線(xiàn)后形成的電路圖，在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩?jǐn)傞_(kāi)的樣子。制作是，便由底層開(kāi)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(huì)產(chǎn)生期望的芯片了。

　　至此，對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)應(yīng)該有初步的了解，整體看來(lái)就很清楚 IC 設(shè)計(jì)是一門(mén)非常復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。IC 設(shè)計(jì)廠十分依賴(lài)工程師的智慧，這裡所述的每個(gè)步驟都有其專(zhuān)門(mén)的知識(shí)，皆可獨(dú)立成多門(mén)專(zhuān)業(yè)的課程，像是撰寫(xiě)硬體描述語(yǔ)言就不單純的只需要熟悉程式語(yǔ)言，還需要了解邏輯電路是如何運(yùn)作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程式、合成軟體是如何將程式轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問(wèn)題。

　　什么是晶圓?

　　在半導(dǎo)體的新聞中，總是會(huì)提到以尺寸標(biāo)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(chǎn)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(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——「晶圓」到底是什么。

　　晶圓(wafer)，是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用樂(lè)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(méi)有良好的地基，蓋出來(lái)的房子就會(huì)歪來(lái)歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，這個(gè)基板就是接下來(lái)將描述的晶圓。

　　首先，先回想一下小時(shí)候在玩樂(lè)高積木時(shí)，積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物，藉由這個(gè)構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類(lèi)似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿(mǎn)足后續(xù)制造所需的條件。

　　在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性，可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿(mǎn)足以上的需求。然而，該如何產(chǎn)生這樣的材料呢，主要有二個(gè)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(gè)階段，第一步是冶金級(jí)純化，此一過(guò)程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉(zhuǎn)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(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)依舊不夠，仍需要進(jìn)一步提升。因此，將再進(jìn)一步采用西門(mén)子制程(Siemens process)作純化，如此，將獲得半導(dǎo)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(tài)的硅。之后，以單晶的硅種(seed)和液體表面接觸，一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因?yàn)楣柙优帕芯秃腿伺抨?duì)一樣，會(huì)需要排頭讓后來(lái)的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來(lái)的原子知道該如何排隊(duì)。最后，待離開(kāi)液面的硅原子凝固后，排列整齊的單晶硅柱便完成了。

　　▲ 單晶硅柱(Souse：Wikipedia)

　　然而，8寸、12寸又代表什么東西呢?他指的是我們產(chǎn)生的晶柱，長(zhǎng)得像鉛筆筆桿的部分，表面經(jīng)過(guò)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(shuō)，晶柱的制作過(guò)程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過(guò)棉花糖的話(huà)，應(yīng)該都知道要做出大而且扎實(shí)的棉花糖是相當(dāng)困難的，而拉晶的過(guò)程也是一樣，旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的品質(zhì)。也因此，尺寸愈大時(shí)，拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質(zhì) 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來(lái)得高。

　　只是，一整條的硅柱并無(wú)法做成芯片制造的基板，為了產(chǎn)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(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過(guò)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(guò)硅晶圓是什么東西后，同時(shí)，也知道制造 IC 芯片就像是用樂(lè)高積木蓋房子一樣，藉由一層又一層的堆疊，創(chuàng)造自己所期望的造型。然而，蓋房子有相當(dāng)多的步驟，IC 制造也是一樣，制造 IC 究竟有哪些步驟?接下來(lái)將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

　　在開(kāi)始前，我們要先認(rèn)識(shí) 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(shè)計(jì)好的電路，以堆疊的方式組合起來(lái)。藉由這個(gè)方法，我們可以減少連接電路時(shí)所需耗費(fèi)的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖，從圖中可以看出它的結(jié)構(gòu)就像房子的樑和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會(huì)將 IC 制造比擬成蓋房子。

　　▲ IC 芯片的 3D 剖面圖。(Source：Wikipedia)

　　從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來(lái)看，底部深藍(lán)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(shí)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(mén)戶(hù)，出入都由這裡，在掌握交通下通常會(huì)有較多的機(jī)能性。因此，和其他樓層相比，在興建時(shí)會(huì)比較復(fù)雜，需要較多的步驟。在 IC 電路中，這個(gè)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(huì)有太復(fù)雜的構(gòu)造，而且每層樓在興建時(shí)也不會(huì)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?yàn)橛刑嗑€(xiàn)路要連結(jié)在一起，在單層無(wú)法容納所有的線(xiàn)路下，就要多疊幾層來(lái)達(dá)成這個(gè)目標(biāo)了。在這之中，不同層的線(xiàn)路會(huì)上下相連以滿(mǎn)足接線(xiàn)的需求。