⼀、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 IEEE 802.11 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。
▲ 32 bits 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 HDL code，放⼊电⼦设计⾃动化⼯具(EDA tool)，让电脑将 HDL code 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 EDA tool，进⾏电路布局与绕线(Place And Route)。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，叠起⼀颗芯⽚飞羽辅助
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(Complementary metal–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，在这⾥就不多加细究。
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，这⾥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。
⼆、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。蚀刻标牌
(Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)
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)
threadx操作系统然⽽，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。
薄板焊接⾸先，在这⾥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
这⾥，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。PELOPHYLAX NIGROMACULATUS
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。
滤纸片法蚀刻技术：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。
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