芯片制造流程详解

作者：靳文轩

【嵌牛导读】作为几乎所有日常电子产品最基础的一个组件，芯片可以说是所有电子产品的核心与大脑。

【嵌牛鼻子】芯片制造流程

【嵌牛提问】芯片制造流程具体是什么，半导体产业从上游到下游分工如何？

【嵌牛正文】

这篇要讨论的重点则是半导体产业从上游到下游到底在做些什么。先来看一下关联图：

芯片制造流程详解 我们先从大方向了解，之后再局部解说。

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司，IC设公司计依客户的需求设计出电路图，硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试，即大功告成啰！

局部解说开始！

(1)硅晶圆制造

半导体产业的最上游是硅晶圆制造。事实上，上游的硅晶圆产业又是由三个子产业形成的，依序为硅的初步纯化 → 多晶硅的制造 → 硅晶圆制造。

硅的初步纯化：

将石英砂(SiO2)转化成冶金级硅(硅纯度98%以上)。

石英砂 冶金级硅 多晶硅的制造：

将冶金级硅制成多晶硅。这里的多晶硅可分成两种：高纯度(99.999999999%，11N)与低纯度(99.99999%，7N)两种。高纯度是用来制做IC等精密电路IC，俗称半导体等级多晶硅；低纯度则是用来制做太阳能电池的，俗称太阳能等级多晶硅。

多晶硅

硅晶圆制造：

将多晶硅制成硅晶圆。硅晶圆又可分成单晶硅晶圆与多晶硅晶圆两种。一般来说，IC制造用的硅晶圆都是单晶硅晶圆，而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅晶圆皆有。一般来说，单晶硅的效率会较多晶硅高，当然成本也较高。

硅晶圆 (2)IC设计

前面提到硅晶圆制造，投入的是石英砂，产出的是硅晶圆。IC设计的投入则是「好人」们超强的脑力(和肝)，产出则是电路图，最后制成光罩送往IC制造公司，就功德圆满了！

不过，要让理工科以外的人了解IC设计并不是件容易的事(就像要让念理工的人了解复杂的衍生性金融商品一样)，作者必需要经过多次外出取材才有办法办到。这里先大概是一下观念，请大家发挥一下你们强大的想像力！

简单来讲，IC设计可分成几个步骤，依序为：规格制定 → 逻辑设计 → 电路布局 → 布局后模拟 → 光罩制作。

规格制定：

品牌厂或白牌厂(没有品牌的品牌厂)的工程师和IC设计工程师接触，并开出他们需要的IC的规格给IC设计工程师 (譬如说，第一个脚位和第二个脚位相加要等于第九个脚位)。讨论好规格后，工程师们就开始快乐的工作啰！

逻辑设计：

藉由软件的帮助，工程师们终于完成了逻辑设计图了，来看一下：

所谓的「逻辑」设计图，就是指它是由简单的逻辑元件构成，而不是由半导体种类这篇提到的恶心的半导体电路元件 (如二极体、电晶体等，忘记得去复习一下喔！)所构成。什么是逻辑元件呢？像是AND Gate(故名思意，两个输入都是1的话，输出才是1，否则输出就是0)，OR Gate(两个输入只要有一个输入是1，输出就是1)等。逻辑元件会在IC设计单元再和大家做进一步的介绍。

电路布局：

基本上，就是利用软件的帮助，把友善的逻辑设计图，转化成恶心的电路图。如图：

芯片制造流程详解

大家应该很熟悉吧！里面大部分都是我们在半导体种类是到的二极体和电晶体啰！

布局后模拟：

就是再经由软件测试看看，结果是不是和当初「规格制定」是一样的结果啰！

光罩制作：

电路完成后，再把电路制作成一片片的光罩就大功告成啰！完成后的光罩即送往IC制造公司。来看一下光罩长什么样子吧！

芯片制造流程详解

(3) IC制造

IC制造的流程较复杂，但其实IC制造就只做一件事而已：把光罩上的电路图转移到晶圆上。它的过程其实和传统相片的制造过程非常类似 (当然，精密度差太多了)！你如果上网google一下「IC制造」，会看到很多火星文的资料，保证你看不懂那些流程到底代表什么意思。

IC制造的步骤是这样子的：薄膜→光阻→显影→蚀刻→光阻去除，然后不断的循环数十次。我们来看一下示意图

芯片制造流程详解

薄膜：

镀上金属(实际上不一定是金属)

光阻：

在晶圆上涂上一层光阻(感光层)

显影：

用强光透过「光罩」后照在晶圆上。这样的话，除了「电路」该出现的部分，其余光阻的部分是不是都照到光了？

蚀刻：

把没有光阻覆盖的薄膜冲蚀

光阻去除：

把上面的光阻去除，留下的薄膜部分就是电路图了！(这里假设电路图就是「一长条」而已，实际情况当然较复杂啰！)

很简单吧！当然，实际的过程没那么简单。实际的情形是光罩是由好几十层构成的，而每层需要的材质也不一样。也就是说，薄膜那一层需用不同的材质。譬如说，SiO2。

有趣吧！以上都只是前菜，在「半导体制程」单元会有更详细的介绍喔！

(4)IC封测

IC制造厂商完成的IC大致如下图：

芯片制造流程详解 这一片片的晶圆完成品就被送往IC封测厂，实行IC的封装与测试。

封装：

封装的流程大致如下：切割→黏贴→焊接→模封。

先讲一下观念好了，来看个CPU吧！

芯片制造流程详解 图片中央的就是CPU。CPU很大一个，但仔细看，中间那个金属部分才是CPU裸晶(又称晶粒，即未封装前的IC)的真正大小喔！其余的部分就是所谓的印刷电路板-PCB啰！

好！可以开始讲IC封装了！

切割：

第一步就是把IC制造公司送来的一片片晶圆切割成一颗颗长方形的IC啰！

黏贴：

把IC黏贴到PCB上

焊接：

故名思义，把IC的小接脚焊接到PCB上，这样才和大PCB(如主机板)相容喔！

模封：

故名思义，就是把接脚模封起来。最近很hot的题材-BT树脂，就是用在这里喔！

有感觉吗？来看个图就较清楚了：

芯片制造流程详解 如图，中间的是晶粒，往外接到PCB上。

这样就大致完成啰！详细的封装与测试流程图，我们在IC封测单原会详细介绍，敬请期待啰！

好不容易呀！终于介绍完一颗IC的大致生产流程了！下一篇要介绍的就是IC产业链最上游：硅晶圆产业介绍。硅晶圆制造除了和半导体产业有关，也和最近最热门的太阳能产业有很大的关系，像是绿能、中美晶的公司都是生产硅晶圆的。记得要来看喔！