晶圓代工是什么？圖解晶圓代工流程！

晶片是用來(lái)干嘛的？為什么日常生活中會(huì )用到晶片呢？晶片這么重要嗎？晶圓又是什么呢？

在過(guò)去，需要將電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件焊接成電路，并將這個(gè)能執行簡(jiǎn)單邏輯運算的電路裝置在電子產(chǎn)品上，才能夠讓電子產(chǎn)品順利運作，然而手工焊接不僅成本高且耗時(shí)，效果也不理想。后來(lái)德州儀器的工程師–杰克·基爾比，便想到如果能夠事先設計好電路圖，然后照電路圖將所有電子元件整合在矽晶元上，便能解決手工焊接的難題，而這就是全世界第一個(gè)“集成電路”也就是我們常聽(tīng)到的IC（IntegratedCircuit）的由來(lái)。

集成電路發(fā)明后，技術(shù)也開(kāi)始高速發(fā)展，一個(gè)晶片從原本僅能塞不到五個(gè)電晶體，到后來(lái)可以塞下數億個(gè)電晶體。而電晶體縮得越小，除了更低的能耗、延遲以及更高的效能外，也讓晶片隨之縮小，電子產(chǎn)品也能越來(lái)越小。如今這些優(yōu)點(diǎn)正反應在電子產(chǎn)品上，讓生活越來(lái)越方便。

晶圓代工是什么？

晶圓代工（Foundry）是半導體產(chǎn)業(yè)的一種商業(yè)模式，指接受其他無(wú)廠(chǎng)半導體公司（Fabless）委托、專(zhuān)門(mén)從事晶圓成品的加工而制造集成電路，并不自行從事產(chǎn)品設計與后端銷(xiāo)售。下面帶你認識晶圓代工的流程。

晶圓代工流程一：矽晶圓生產(chǎn)

晶片最偉大的貢獻，莫過(guò)于將原本僅能執行0和1的邏輯運算（注）的電晶體，集合在一起形成具有強大處理能力的運算中樞，而連結這些電晶體的基板就是“矽”這個(gè)元素。

之所以會(huì )選擇“矽”作為IC的主要原料，是因為矽在自然界中屬于“半導體”，也就是導電性介于導體與絕緣體的存在，可以借由加入雜質(zhì)，來(lái)調整半導體的導電性，進(jìn)而控制電流是否流通，達到訊號切換的功能，換句話(huà)說(shuō)就是讓晶片能夠順利執行0和1的運算，而能操控電子產(chǎn)品。

矽晶圓的制造流程簡(jiǎn)化來(lái)說(shuō)就是將“矽”加工至可用來(lái)放置電子元件的“矽晶圓”：

純化：矽的前身是石英砂，里面含有許多雜質(zhì)，因此需要將其純化，主要方式為將石英砂加入碳并加熱還原成冶金級矽，隨后將其丟入反應爐中與氯化氫以及氫氣反應形成多晶矽。

拉晶：將多晶矽置入單晶爐中，透過(guò)加熱處理、接入晶種（注1）后，就可以從中拉出半導體產(chǎn)業(yè)所需的“單晶矽柱”（矽晶柱），上面會(huì )有可擺放電晶體的“矽晶格”，也因此矽晶柱的品質(zhì)掌控對于晶圓廠(chǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，拉晶的速度、溫度的控制等等因子都有可能大大影響到最后的生產(chǎn)品質(zhì)，而矽晶柱直徑越大，拉晶也就越難。（注2）

到這邊為止，安置電子元件的基板–矽晶圓便完成了，而我們常在新聞中看到的8吋晶圓廠(chǎng)、12吋晶圓廠(chǎng)，指的其實(shí)就是矽晶圓的直徑，不過(guò)，為什么要特地分成8吋、12吋或是X吋呢？

8吋晶圓 vs 12吋晶圓

其實(shí)關(guān)鍵就在于“生產(chǎn)成本”。簡(jiǎn)單的數學(xué)運算就可知道，一片12吋晶圓的表面積是一片8吋晶圓的2.25倍，也就是說(shuō)在相同良率下，12吋晶圓廠(chǎng)的生產(chǎn)效率會(huì )是8吋晶圓廠(chǎng)的2.25倍，因此只要兩種晶圓尺寸的生產(chǎn)成本差距在2.25倍以下的話(huà)，生產(chǎn)12吋晶圓便會(huì )比生產(chǎn)8吋晶圓來(lái)的有優(yōu)勢，故生產(chǎn)12吋晶圓其實(shí)是較為先進(jìn)的技術(shù)。

12吋晶圓廠(chǎng)較有生產(chǎn)效率，為什么還要保留8吋晶圓廠(chǎng)？

前面提到，12吋晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)量平均來(lái)說(shuō)會(huì )是8吋晶圓廠(chǎng)的兩倍多，因此在產(chǎn)能滿(mǎn)載的前提下，12吋廠(chǎng)比較符合成本效益，然而對于某些客戶(hù)集中在利基市場(chǎng)的廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，不見(jiàn)得有足夠的出貨量去支撐12吋廠(chǎng)帶來(lái)的額外產(chǎn)能，因此對這些廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，也就沒(méi)必要花更多的資金投資技術(shù)門(mén)檻更高的12吋廠(chǎng)。

8吋晶圓供不應求？

前面提到，某些產(chǎn)品市場(chǎng)規模不大，因此透過(guò)8吋或6吋晶圓廠(chǎng)來(lái)生產(chǎn)較有效率，相對的某些產(chǎn)品市場(chǎng)規模較大，因此產(chǎn)線(xiàn)通常都會(huì )分布在12吋晶圓廠(chǎng)。過(guò)去12吋晶圓廠(chǎng)主要拿來(lái)生產(chǎn)智能手機、筆記本電腦等有高階運算需求的晶片，另一方面6吋、8吋晶圓廠(chǎng)則是用于生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)用元件等運算能力要求度不高的晶片。

由于過(guò)去12吋晶圓廠(chǎng)為市場(chǎng)主流，因此部分晶圓設備廠(chǎng)已經(jīng)停止生產(chǎn)8吋晶圓廠(chǎng)的設備，而直接蓋新的8吋廠(chǎng)又需要龐大的資金，對于大部分業(yè)者來(lái)說(shuō)難以負荷。外加隨著(zhù)5G逐漸普及，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的晶片需求提升，因此8吋晶圓市場(chǎng)近期才會(huì )供不應求。

晶圓代工流程二：集成電路制造

回到IC制造的工作流程介紹，前面提及過(guò)去制作電路的方法，是將所有的電子元件手工連接起來(lái)，而相較之下集成電路的優(yōu)勢，就在于他是直接依照設計好的電路圖，一口氣將所有電子元件整合在一起。因此有個(gè)一致的標準，生產(chǎn)起來(lái)容易許多。

這兩種電路制作模式的關(guān)鍵差異來(lái)自于“光學(xué)原理”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，集成電路制造就是將從IC設計廠(chǎng)拿到的“電路設計圖”透過(guò)光學(xué)成像的原理轉移到“矽晶圓”上，最后依照設計圖架構，在矽晶元上集成化所需的電子元件：

▲ 步驟1–鍍上薄膜：于矽晶片表面鍍上氧化層（或金屬）。

▲ 步驟2–涂上光阻：于薄膜表面涂上光阻劑，該光阻劑曝光后化學(xué)結構會(huì )改變，變的相當易溶。

▲ 步驟3–顯影：透過(guò)紫外光與凸透鏡的聚光效果，將光罩上的電路圖縮小并投影在光阻上。

▲ 步驟4–蝕刻：透過(guò)特殊化學(xué)溶液將被紫外光照射的光阻沖洗掉，接著(zhù)再透過(guò)另一種化學(xué)溶液將步驟1的薄膜沖洗掉。

▲ 步驟5–光阻去除：接著(zhù)最后一樣以化學(xué)溶液將光阻去除。

注：實(shí)際過(guò)程相當復雜，需要堆疊許多不同材質(zhì)的薄膜在特定的位置，因此需要好幾十層的光罩并且不斷重復上述步驟才能完成光刻制程，其他關(guān)于晶圓清洗、烘烤等步驟限于篇幅的關(guān)系，無(wú)法詳細陳述。

在光刻制程結束后，緊接著(zhù)就是注入雜質(zhì)（磷原子與硼原子）到矽晶片（半導體）中控制其導電性，至此，構成集成電路所需的電晶體及相關(guān)的元件便已依照設計好的電路圖在矽晶片上集成完畢，最后將銅倒入溝槽中形成電子接線(xiàn)，將數億個(gè)電晶體串接起來(lái)后，近半個(gè)世紀以來(lái)不斷推動(dòng)科技進(jìn)步的基石–集成電路便就此完成。

晶圓代工廠(chǎng)如何突破物理極限提升光刻技術(shù)？

相信有在關(guān)注臺積電的人多少會(huì )看過(guò)跟上述類(lèi)似的新聞，不過(guò)在探討什么是摩爾定律、EUV等專(zhuān)有名詞前，必須先了解光刻技術(shù)如何演進(jìn)。

R=k1xＮＡ是光學(xué)微影的分辨率公式，要想要有更好的成像品質(zhì)，就必須要想辦法提升分辨率，上述公式中，R代表至多可以曝出多小的線(xiàn)寬，越小則代表越精細、分辨率越高，能夠執行越精細的光刻作業(yè)，代表光在真空中的波長(cháng)，NA代表成像系統的數值孔徑，k1則是一系數（受到許多制程相關(guān)因子影響）。

所以根據上述公式，要想提高分辨率，主要可以透過(guò)降低光源波長(cháng)或是提高成像系統的數值孔徑（注）來(lái)達成。

注：數值孔徑（NA）沒(méi)有單位。是用以衡量一個(gè)光學(xué)系統（鏡頭）能夠收集的光的角度范圍。

EUV是什么？

EUV微影技術(shù)的落實(shí)延續了摩爾定律的壽命，這里的EUV指的其實(shí)是一種紫外光源，跟過(guò)去光刻技術(shù)所采用的光源比起來(lái)，EUV的波長(cháng)更短，因此有助于大幅提高分辨率。

摩爾定律是什么？

摩爾定律指的是集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔十八個(gè)月到兩年增加一倍、性能也提升一倍，所以與其說(shuō)是“定律”，其實(shí)它更像是一個(gè)用來(lái)描述集成電路產(chǎn)業(yè)演進(jìn)軌跡的指標，而近幾年許多新聞媒體之所以會(huì )認為摩爾定律快走到盡頭，主要就是因為過(guò)去采用DUV光源的光刻技術(shù)在分辨率的提升上已經(jīng)到達極限，換句話(huà)說(shuō)就是媒體認為晶圓代工廠(chǎng)已經(jīng)沒(méi)有辦法提供具有更高效能的晶片，這對晶圓代工廠(chǎng)甚至是對整個(gè)科技產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)都會(huì )是相當大的沖擊，也幸虧EUV微影技術(shù)的成功，才讓摩爾定律得以延續。

晶圓幾奈米是什么意思？

奈米是一公尺的負9次方，也就是頭發(fā)厚度的10萬(wàn)分之一。而新聞上看到的“XX奈米”，則是指晶片上電晶體控制電流通過(guò)的“閘極長(cháng)度”，長(cháng)度越小，電晶體就越小，能塞進(jìn)晶片的電晶體數量就越多，設備的效能也會(huì )相應提升。

而隨著(zhù)技術(shù)精進(jìn)，奈米制程也逐步縮小。就如前所述，網(wǎng)路越來(lái)越快，也因此需要更先進(jìn)、更精密的晶片。這，就讓臺積電“純代工”的優(yōu)勢逐漸顯現。