復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計(jì)流程

芯片制造的過(guò)程就如同用樂(lè)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(chǎn)出必要的 IC 芯片（這些會(huì)在后面介紹）。然而，沒(méi)有設(shè)計(jì)圖，擁有再?gòu)?qiáng)制造能力都沒(méi)有用，因此，建筑師的角色相當(dāng)重要。但是 IC 設(shè)計(jì)中的建筑師究竟是誰(shuí)呢？本文接下來(lái)要針對(duì) IC 設(shè)計(jì)做介紹。

在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專(zhuān)業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因?yàn)?IC 是由各廠自行設(shè)計(jì)，所以 IC 設(shè)計(jì)十分仰賴(lài)工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價(jià)值。然而，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)一顆 IC 芯片時(shí)，究竟有那些步驟？設(shè)計(jì)流程可以簡(jiǎn)單分成如下。

設(shè)計(jì)第一步，訂定目標(biāo)

在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個(gè)步驟就像是在設(shè)計(jì)建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規(guī)需要遵守，在確定好所有的功能之后在進(jìn)行設(shè)計(jì)， 這樣才不用再花額外的時(shí)間進(jìn)行后續(xù)修改。IC 設(shè)計(jì)也需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似的步驟，才能確保設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片不會(huì)有任何差錯(cuò)。

規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對(duì)大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)定要符合，像無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)範(fàn)，不然，這芯片將無(wú)法和市面上的產(chǎn)品相容，使它無(wú)法和其他設(shè)備連線(xiàn)。最后則是確立這顆 IC 的實(shí)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(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。

設(shè)計(jì)完規(guī)格后，接著就是設(shè)計(jì)芯片的細(xì)節(jié)了。這個(gè)步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫(huà)，將整體輪廓描繪出來(lái)，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語(yǔ)言（HDL）將電路描寫(xiě)出來(lái)。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(dá)出來(lái)。接著就是檢查程式功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿(mǎn)足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例

有了完整規(guī)畫(huà)后，接下來(lái)便是畫(huà)出平面的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無(wú)誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

▲ 控制單元合成后的結(jié)果

最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線(xiàn)（Place And Route）。在經(jīng)過(guò)不斷的檢測(cè)后，便會(huì)形成如下的電路圖。圖中可以看到藍(lán)、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(yùn)用呢？

▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線(xiàn)的結(jié)果

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 為範(fàn)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，在這裡就不多加細(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)?？梢詫⑿酒圃毂葦M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，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，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。

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？本文將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

在開(kāi)始前，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，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。

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。

分層施工，逐層架構(gòu)

知道 IC 的構(gòu)造后，接下來(lái)要介紹該如何制作。試想一下，如果要以油漆噴罐做精細(xì)作圖時(shí)，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(kāi)。不斷的重復(fù)這個(gè)步驟后，便可完成整齊且復(fù)雜的圖形。制造 IC 就是以類(lèi)似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來(lái)。

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

金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻?yàn)⒃诰A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(guò)光罩（光罩原理留待下次說(shuō)明），將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結(jié)構(gòu)。接著，再以化學(xué)藥劑將被破壞的材料洗去。

蝕刻技術(shù)：將沒(méi)有受光阻保護(hù)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(huì)在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片，接下來(lái)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(shuō)明啰。

納米制程是什么？

三星以及臺(tái)積電在先進(jìn)半導(dǎo)體制程打得相當(dāng)火熱，彼此都想要在晶圓代工中搶得先機(jī)以爭(zhēng)取訂單，幾乎成了 14 納米與 16 納米之爭(zhēng)，然而 14 納米與 16 納米這兩個(gè)數(shù)字的究竟意義為何，指的又是哪個(gè)部位？而在縮小制程后又將來(lái)帶來(lái)什么好處與難題？以下我們將就納米制程做簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

納米到底有多細(xì)微？

在開(kāi)始之前，要先了解納米究竟是什么意思。在數(shù)學(xué)上，納米是 0.000000001 公尺，但這是個(gè)相當(dāng)差的例子，畢竟只看得到小數(shù)點(diǎn)后有很多個(gè)零，卻沒(méi)有實(shí)際的感覺(jué)。如果以指甲厚度做比較的話(huà)，或許會(huì)比較明顯。

用尺規(guī)實(shí)際測(cè)量的話(huà)可以得知指甲的厚度約為 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是說(shuō)試著把一片指甲的側(cè)面切成 10 萬(wàn)條線(xiàn)，每條線(xiàn)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(huì)因技術(shù)提升而變得更大；其 次，可以增加處理器的運(yùn)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(dòng)裝置中，滿(mǎn)足未來(lái)輕薄化的需求。

再回來(lái)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(xiàn)最小可以做到 14 納米的尺寸，下圖為傳統(tǒng)電晶體的長(zhǎng)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(gè)部分才能達(dá)到這個(gè)目的？左下圖中的 L 就是期望縮小的部分。藉由縮小閘極長(zhǎng)度，電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端（有興趣的話(huà)可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋，會(huì)有更詳細(xì)的解釋?zhuān)?/p>

此外，電腦是以 0 和 1 作運(yùn)算，要如何以電晶體滿(mǎn)足這個(gè)目的呢？做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當(dāng)在 Gate 端（綠色的方塊）做電壓供給，電流就會(huì)從 Drain 端到 Source 端，如果沒(méi)有供給電壓，電流就不會(huì)流動(dòng)，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(huà)可以去查布林代數(shù)，我們是使用這個(gè)方法作成電腦的）

尺寸縮小有其物理限制

不過(guò)，制程并不能無(wú)限制的縮小，當(dāng)我們將電晶體縮小到 20 納米左右時(shí)，就會(huì)遇到量子物理中的問(wèn)題，讓電晶體有漏電的現(xiàn)象，抵銷(xiāo)縮小 L 時(shí)獲得的效益。作為改善方式，就是導(dǎo)入 FinFET（Tri-Gate）這個(gè)概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導(dǎo)入這個(gè)技術(shù)，能減少因物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象。

更重要的是，藉由這個(gè)方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統(tǒng)的做法中（左上圖），接觸面只有一個(gè)平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）這個(gè)技術(shù)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(duì)縮小尺寸有相當(dāng)大的幫助。

最后，則是為什么會(huì)有人說(shuō)各大廠進(jìn)入 10 納米制程將面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，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(xiàn)只有不到 100 顆原子，在制作上相當(dāng)困難，而且只要有一個(gè)原子的缺陷，像是在制作過(guò)程中有原子掉出或是有雜質(zhì)，就會(huì)產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的良率。

如果無(wú)法想像這個(gè)難度，可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。在桌上用 100 個(gè)小珠子排成一個(gè) 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(gè) 10×5 的長(zhǎng)方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達(dá)成這個(gè)目標(biāo)究竟是多么艱巨。

隨著三星以及臺(tái)積電在近期將完成 14 納米、16 納米 FinFET 的量產(chǎn)，兩者都想爭(zhēng)奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我們將看到相當(dāng)精彩的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也將獲得更加省電、輕薄的手機(jī)，要感謝摩爾定律所帶來(lái)的好處呢。