半導體晶片是怎麼做出來的？看懂前段、後段製程全貌
半導體晶片，是在用石頭中取出的矽所做成的圓形薄板（晶圓）上製作的。重複「鍍膜、用光轉印圖案、削去」數十次，同時做出數百顆晶片（前段製程）。最後一顆顆切開，包覆並接上對外的連接，經過測試就完成了（後段製程）。
這篇文章可以了解
- 從石頭到晶圓的流程
- 前段製程的基本：鍍膜、用光轉印圖案、削去
- 類似的步驟要重複數十次的原因
- 無塵室為什麼怕灰塵
- 後段製程（測試、切割、封裝），以及需要的時間、由誰製造
先備知識：不需要。如果知道晶片的內容是「稱為電晶體的開關，以及連接它們的導線」，會比較容易閱讀。
生活周遭
手機和電腦裡，裝著好幾個負責運算或記憶的黑色小零件。它們的內容，是在小小的矽片上做出電路的「晶片」。負責手機運算的晶片裡，有數十億個稱為電晶體的小開關。詳細說明請見「電晶體是什麼？」。
這麼小的東西，不可能一個一個組裝。因此，要在一片板子上一次做出許多晶片，最後再切開。
整體流程：3個階段
晶片從無到有，大致可分成3個階段。首先，用材料矽做出稱為晶圓的圓形板子。接著，在晶圓上做出電晶體和導線。這個階段稱為「前段製程」。
最後，把晶圓切成一顆顆晶片，做成零件的形狀並加以測試。這個階段稱為「後段製程」。兩者的差異，也可以在比較頁「半導體前段製程與後段製程的差異」的表格中確認。
從石頭到晶圓
矽是從沙子和岩石裡大量含有的二氧化矽（矽與氧結合而成的物質）中取出的。不過，並不是直接使用海邊的沙子。而是把純度高的矽石（石英岩），和碳一起放進電爐加熱到高溫，去除其中的氧。這樣得到的矽，純度還只有98%左右。
接著，先把它轉成液體的化合物來去除雜質，再變回固體的矽（西門子法）。得到的是由許多小晶粒聚集而成的「多晶矽」。純度會提高到 99.999999999% 左右，也就是連續11個9。為什麼需要這樣的純度，在「半導體是什麼？」中有說明。
晶片需要整體原子排列都一致的「單晶」。因此，要把多晶矽放進耐熱的石英容器，在 1,400 °C 多的溫度下熔化。再把一小塊單晶（晶種）浸進去，一邊旋轉一邊慢慢往上拉。晶體會保持和晶種相同的排列，長得又粗又長。這種成長方法稱為CZ 法。
因為是一邊旋轉一邊拉起，長成的晶體塊會是圓柱形。這個晶體塊稱為晶棒。晶圓之所以是圓形，是因為它是把這個圓柱切成一片片做成的。
晶棒要用細鋼線的切割機，切成厚度不到 1 mm 的圓板。把表面研磨到像鏡子一樣平，晶圓就完成了。量產使用的最大晶圓，直徑是 300 mm。
前段製程：轉印圖案，再削去
在前段製程中，會在一片晶圓上，像棋盤格一樣排列做出數百顆相同的晶片。幾乎所有作業，都以一整片晶圓為單位一次進行。不是一顆顆加工晶片，所以能用相同的品質做出大量晶片。
最基本的，是在膜上刻出電路圖案的一連串作業。依照圖中①～⑥的順序進行。
- 鍍膜（成膜）：在晶圓整個表面鍍上極薄的膜，例如不導電的膜，或是成為導線的金屬膜。
- 塗上光阻：在膜上薄薄塗一層照到光就會改變性質的藥劑。
- 照光（曝光）：透過畫有電路圖案的原版照光，讓光阻依圖案的形狀起變化。
- 顯影：用藥液溶掉照到光的部分的光阻（也有沒照到光的部分會溶掉的種類）。
- 蝕刻：用氣體或藥液，削去沒有被光阻蓋住部分的膜。
- 去除光阻：去掉完成任務的光阻，膜上就留下電路的圖案。
②中塗上、性質會因光而改變的藥劑，稱為光阻。光阻有兩種：照到光的部分會溶掉的，以及照到光的部分會留下的。
③中使用的原版，稱為光罩。它是在玻璃板上，用遮光的膜畫出電路的圖案。曝光設備會用透鏡或反射鏡，把這個圖案縮小轉印到晶圓上。一次只能轉印晶圓的一部分，所以要一點點移動晶圓，把相同的圖案印滿整個表面。
像②～④這樣，用光把圖案轉印到光阻上的整套作業，稱為微影（lithography）。這原本是一種用石版印刷的技術名稱。微影能轉印的圖案有多細，大大決定了晶片能做得多細。
前段製程的其他作業
除了轉印圖案、削去之外，前段製程還有幾項重要的作業。這裡列出代表性的3項。
- 打入雜質：把決定半導體性質的元素（雜質），用電的力量加速，打進晶圓裡。這項作業稱為離子佈植。被光阻蓋住的部分打不進去，所以能只改變指定位置的導電程度。
- 磨平：疊上好幾層之後，表面會出現凹凸。凹凸留著的話，下一次曝光時，就會有對不到焦的地方。因此，要用藥液和研磨墊把表面磨平。這項作業稱為CMP（化學機械研磨）。
- 清洗：即使是很小的灰塵或極微量的金屬汙染，也會造成電路不良。所以在許多作業的前後，都要清洗晶圓。清洗是前段製程中次數特別多的作業。
此外，還會在途中量測膜的厚度和圖案的尺寸，並檢查有沒有刮傷或灰塵。越早發現問題，越能減少浪費掉的晶圓。
為什麼要重複數十次
晶片並不是由一層圖案構成的，而是由下往上疊了許多層的立體結構。每一層的形狀都不同，所以每一層都要用不同的光罩，重複前面的作業。
首先，在矽的表面做出電晶體。放入雜質的位置、施加電壓的電極、把它們隔開的膜等，光是電晶體就需要好幾片光罩。接著，把連接電晶體的導線，隔著不導電的膜疊上好幾層。這樣疊成多層的導線，稱為多層導線。
數十億個電晶體，不可能只靠平平的一層導線連接。下層用細導線，連接附近的電晶體。越往上層，導線越粗，用來連接晶片上相距很遠的位置，以及電源。上下層之間，靠像細柱子一樣的縱向導線相連。
新一層的圖案，必須和下層的圖案完全對齊。曝光設備會先讀取晶圓上的記號、對好位置，再照光。重複的次數依晶片種類而不同；曝光設備製造商 ASML 說明，轉印圖案的作業會超過100次。
無塵室：為什麼怕灰塵
前段製程是在把空氣中的微粒減到極少的房間裡進行。這種房間稱為無塵室。空氣先通過能濾掉極細微粒的過濾器，再從天花板送進來，持續把微粒往地板推走。
怕灰塵，是因為晶片的圖案非常細。nm（奈米）是 1 mm 的百萬分之一。根據 IEEE Spectrum 的文章（2020年），當時最先進晶片的細導線，以約 36 nm 的間距排列。一根頭髮（粗約 0.09 mm）的寬度內，可以排2,000條以上這樣的導線。
在這麼細的尺度下，只要落上一顆 100 nm 的微粒，就會橫跨相鄰的好幾條導線。導線會彼此接在一起或中途斷掉，這顆晶片就成了不良品。肉眼看不見的微粒，對晶片來說就像一塊大岩石。
空氣的潔淨度，有國際標準（ISO 14644-1）規定的等級。都市的室外空氣，相當於最寬鬆的 Class 9。最潔淨的 Class 1，每 1 m³ 空氣中，100 nm 以上的微粒最多只能有10個。工廠裡，越靠近晶圓經過的地方，管理越嚴格；晶圓則放進密閉的容器中搬運。
作業人員要穿覆蓋全身的專用服裝。因為人的身體和衣服，會不斷散出皮膚碎屑、纖維等微粒。這種衣服與其說是保護人，不如說是保護晶圓，不讓人散出的微粒沾上去。
後段製程：切開、包覆、測試
完成前段製程的晶圓上，排列著做好的晶片。不過，並不是每一顆都是良品。因此，要先在晶圓的狀態下，把細針接觸每顆晶片的電極，檢查電氣上能否正確運作。這項測試稱為晶圓測試，並記錄不良晶片的位置。
接著，把晶圓背面磨薄，再用旋轉的刀片等切成一顆顆晶片。這項作業稱為晶圓切割。切開的晶片，會固定在用來對外連接的底座（基板或金屬框架）上。
晶片的電極和底座，主要用兩種方法連接。一種是用比頭髮還細的金線或銅線，一條條連接的打線接合。另一種是把晶片翻過來，用電極上的小金屬球直接連接，稱為覆晶。兩者的差異，可在「打線接合與覆晶的差異」中比較。
把連接好的晶片用樹脂等包覆保護，並整理好對外連接的端子，就成了零件的形狀。包含這個外殼在內的整體，稱為封裝。封裝還負責保護晶片不受濕氣和衝擊影響，並把熱散出去。
最後，再把完成的零件測試一次。這稱為最終測試（final test）。要確認包覆時沒有損壞，以及在規定的溫度和電壓下能發揮性能，只出貨合格的產品。兩種測試的差異，整理在「晶圓測試與最終測試的差異」。
需要多少時間？
根據美國半導體產業協會（SIA）2021年的說明，前段製程平均約需12週。先進的晶片，有時需要14～20週。後段製程的組裝與測試，還要再花大約6週。
前段製程很花時間，是因為正如前面所見，類似的作業要依層數重複。不是一台設備就能完成，晶圓要在許多設備之間來回好幾次。因此，即使訂單突然增加，也沒辦法馬上增加出貨。
良率：不會全部都是良品
不管管理得多好，晶圓上仍會以一定比例出現不良的晶片。做出的晶片中良品所占的比例，稱為良率，大大影響一顆晶片的價格。假設小缺陷隨機散布，晶片越大越容易碰到缺陷，良率就越低。
例如直徑 300 mm 的晶圓，可以切出約600顆 10 mm 見方的晶片。若缺陷是每 1 cm² 0.1個，良品約九成。改成 20 mm 見方，能切出的數量約150顆，良品會減到約三分之二（依本站計算工具的概算）。可以用晶粒良率計算器，改變晶片大小試試看。
由誰製造？
到目前為止的流程，很少由一家公司全部包辦。整個產業是由各階段擅長的公司分工負責。下表由左至右，依序是「做什麼的公司」「業界的稱呼」「公司的例子」。
| 做什麼的公司 | 稱呼 | 例子 |
|---|---|---|
| 製作晶圓 | 晶圓製造商 | 信越化學工業、SUMCO |
| 製造工廠使用的設備或材料 | 設備製造商、材料製造商 | ASML、東京威力科創 |
| 只設計晶片，製造交給其他公司 | 無晶圓廠（Fabless） | NVIDIA、高通 |
| 承接其他公司所設計晶片的前段製程 | 晶圓代工 | 台積電（TSMC） |
| 承接後段製程（組裝與測試） | OSAT | 日月光（ASE）、Amkor |
| 從設計到製造都自己做 | IDM | 英特爾（Intel） |
不需要記住所有的稱呼。新聞中特別常出現的，是承接製造的晶圓代工廠。各自的差異，可在「IDM、無晶圓廠、晶圓代工的差異」中比較。
常見的誤解
誤解：機器把矽一顆一顆削出來，做成晶片
實際上，是在一片晶圓上同時做出數百顆晶片。圖案用光轉印，鍍膜、削去、打入雜質等作業，都對整片晶圓一次進行。不只是削去，把膜堆積上去的作業也同樣重要。這個誤解，容易來自切削金屬零件的印象。
誤解：無塵室是為了人而保持衛生的房間
實際上，它是保護晶圓不受微粒和汙染影響的房間。人是散出微粒的一大來源，所以要用覆蓋全身的衣服，把人散出的微粒關在裡面。這個誤解，來自醫院手術室那種「清潔」的印象。保護人不受危險藥品和氣體傷害的對策，則是另外進行的。
誤解：只要「印刷」一次電路，晶片就完成了
實際上，每一層都要用不同的光罩轉印圖案，並重複數十次鍍膜和削去的作業。新的一層，必須和下層精準對齊再疊上去。這個誤解，容易來自微影的語源是「印刷」，以及「把電路燒印上去」這類說法。
用數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 300 mm | 量產使用的最大晶圓直徑 |
| 約600顆 | 300 mm 晶圓可切出的 10 mm 見方晶片數（依本站計算工具的概算） |
| 100次以上 | 做出一顆晶片前，轉印圖案的作業重複的次數（ASML 的說明） |
| 約12週 | 前段製程平均所需的時間。先進晶片為14～20週（SIA，2021年） |
| 約 36 nm | 2020年左右最先進的晶片中，細導線排列的間距（IEEE Spectrum，2020年） |
| 最多10個 | ISO 14644-1 的 Class 1 中，每 1 m³ 空氣容許的 100 nm 以上微粒數 |
把數字排在一起，就能看出前段製程有多難。間距約是頭髮兩千分之一的圖案，要每層對準位置，疊上數十次。這段期間，數百顆晶片的任何地方，都不能落上一顆微粒。
深入學習
- 用表格看差異：CZ法與FZ法的差異（單晶的成長方式）、CVD與PVD的差異（鍍膜的方法）、濕式蝕刻與乾式蝕刻的差異、正型與負型光阻的差異
- 用數字試試：可以用微影解析度計算器，計算光的波長會讓能轉印的圖案細度怎麼變。
- 用圖來看：曝光與蝕刻的步驟、CZ 法的拉晶、覆晶的剖面等，都收錄在圖解集中。