复杂繁琐的芯片设计流程.docx
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复杂繁琐的芯片设计流程
复杂繁琐的芯片设计流程
导读：
芯片由集成电路经过设计、制造、封装等一系列操作后形成，一般来说，集成电路更着重电路的设计和布局布线，而芯片更看重电路的集成、生产和封装这三大环节。
但在日常生活中，“集成电路”和“芯片”两者常被当作同一概念使用。
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IEEE802.11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。
▲32bits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HDLcode，放入电子设计自动化工具（EDAtool），让电脑将HDLcode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EDAtool，进行电路布局与绕线（PlaceAndRoute）。
在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。
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（Complementarymetal–oxide–semiconductor），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。
对芯片制造来说，这个基板就是接下来将描述的晶圆。
（Souse：
Flickr/JonathanStewartCCBY2.0）
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。
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，缩小电晶体的最主要目的，就
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