復雜繁瑣的芯片設計流程

　　芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產出必要的 IC 芯片（這些會在后面介紹）。然而，沒有設計圖，擁有再強制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是 IC 設計中的建筑師究竟是誰呢？本文接下來要針對 IC 設計做介紹。

　　在 IC 生產流程中，IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC 芯片，提供不同規格、效能的芯片給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設計，所以 IC 設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。然而，工程師們在設計一顆 IC 芯片時，究竟有那些步驟？設計流程可以簡單分成如下。

　　設計第一步，訂定目標

　　在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規需要遵守，在確定好所有的功能之后在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行后續修改。IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。

　　規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規範，不然，這芯片將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。最后則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定。

　　設計完規格后，接著就是設計芯片的細節了。這個步驟就像初步記下建筑的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性并持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。

　　有了電腦，事情都變得容易

　　有了完整規畫后，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

▲控制單元合成后的結果。

　　最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測后，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、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用呢？

▲常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線的結果。

　　層層光罩，疊起一顆芯片

　　首先，目前已經知道一顆 IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導體（MOS）？這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

　　下圖中，左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會產生期望的芯片了。

　　至此，對于 IC 設計應該有初步的了解，整體看來就很清楚 IC 設計是一門非常復雜的專業，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設計得以加速。IC 設計廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。

　　其中主要半導體設計公司有英特爾、高通、博通、英偉達、美滿、賽靈思、Altera、聯發科、海思、展訊、中興微電子、華大、大唐、智芯、敦泰、士蘭、中星、格科等。

　　什么是晶圓？

　　在半導體的新聞中，總是會提到以尺寸標示的晶圓廠，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體最重要的基礎——「晶圓」到底是什么。

　　晶圓（wafer），是制造各式電腦芯片的基礎。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子，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，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩的基板。對芯片制造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

　　首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構造，我們可將兩塊積木穩固的疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續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，以滿足后續制造所需的條件。

　　在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，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

　　純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉換成 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% 對于芯片制造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。因此，將再進一步采用西門子制程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導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，形成液態的硅。之后，以單晶的硅種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因為硅原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排隊。最后，待離開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？他指的是我們產生的晶柱，長得像鉛筆筆桿的部分，表面經過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，晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉一邊成型。有制作過棉花糖的話，應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的，而拉晶的過程也是一樣，旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。也因此，尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

　　只是，一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板，為了產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，圓片再經由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經過這么多步驟，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？