半導體製程(二)
晶圓加工
讓台積電叱吒風雲的功夫
有一門神功讓奇蹟誕生於微毫，
有一門神功讓寶島屹立於風暴。
深夜，有人低吟那曲「神功成兮萬肝枯，TSM兮傲江湖。」
沙場，有人高呼那句「十萬青年十萬肝，GG輪班救台灣。」
這故事的主角是世界最大晶圓代工廠──台積電(英文縮寫為TSMC，暱稱叫GG)，而他修練的神功名為晶圓加工。
在IC製造中，需要最多資金、技術與人力投入的階段就是晶圓加工。接續前篇「晶圓製造」，本蔥要說說「晶圓加工」的各項製程，並解釋新聞常提到的幾奈米(ex:7奈米)和幾吋(ex:8吋)分別是指什麼。
三字訣
晶圓加工的目的是把一堆電子元件(主要是電晶體)和電路做在晶圓上，過程就像蓋房子，會一層一層地堆疊。雖然整個加工步驟多達數百道，但其實主要就是幾種製程在重複進行，所以只要掌握三字訣，就能初步認識這門功夫。
單晶矽晶圓
電路密布的晶圓
三字訣
鋪字訣
鋪字訣的目的是在晶圓上鋪上一層薄膜。依照不同用途，這層薄膜可以是二氧化矽、氮化矽、多晶矽等絕緣體，也可以是金屬。下面舉例幾個常用的製程。
熱氧化法
把晶圓放入烤爐，並通入氧氣，晶圓表面就會形成二氧化矽膜。這是晶圓加工的起手式。
化學氣相沉積法(CVD)
讓幾種氣體發生化學反應，產生固體沉積物。此法可形成二氧化矽膜、氮化矽膜、多晶矽膜、金屬膜。
物理氣相沉積法(PVD)
此法有兩種，一種叫蒸鍍，一種叫濺鍍。濺鍍時，會用一堆氬離子轟炸一塊靶材，靶材的原子就會被炸飛並濺射到晶圓上，形成一層薄膜。
刻字訣
刻字訣的目的是把晶圓上的薄膜刻成某個圖案，由於這些圖案極端精細微小，所以當然不能用手刻，而是要用微影製程(或稱光刻製程)，由於此一系列製程多半在黃色燈光下進行，所以又被稱作黃光製程。下面就列出此製程的主要步驟。
光阻塗佈
光阻是會因為被光(紫外線)照到而發生化學變化的物質，可分為正光阻和負光阻。此步驟會把光阻塗在晶圓上。本蔥怕各位看官搞混，就只用正光阻作為講解範例。
光阻會被滴在晶圓中央，然後晶圓會高速旋轉，利用離心力把光阻均勻分散到表面。
光阻眼中的光阻塗佈。
曝光
此步驟會透過光罩和透鏡讓部分光阻被光(紫外線)照射而發生化學變化。光罩上有設計好的圖案，光在通過光罩後，就會只留下沒被圖案擋住的部分，緊接著又被透鏡聚縮到晶圓上的一小塊區域。照射完一個區域就會換下一個區域，這每個區域都是一個正在發育的IC寶寶。
此示意圖上中下分別是光罩、透鏡、晶圓。
從晶圓的一小塊來看曝光(此圖簡化光罩並省略透鏡)。可以見到只有一部份光阻被照到光，現在還看不出變化，但已埋下巧奪天工的伏筆。
顯影
用顯影劑浸泡或沖洗晶圓，在上個步驟被光照到的光阻會被顯影劑溶解，於是光罩上的圖案就以縮小版出現在晶圓上。這個圖案只是由光阻形成的，不是薄膜形成的圖案，所以還要進行下個步驟──蝕刻。
蝕刻
此步驟會把晶圓泡到腐蝕液裡或用離子轟炸，光阻會保護自己正下方的薄膜不被攻擊，而沒有被光阻覆蓋的薄膜可就慘了，被腐蝕液或離子整到連渣都不剩。這樣一來，薄膜的圖案就會跟光阻的圖案一樣。
光阻剝除
刻字訣的最後一步是剝除殘留的光阻，至此晶圓上的薄膜已被刻成我們想要的圖案囉。
摻字訣
純淨的矽不會導電，但摻入特定雜質的矽就能導電，這就是為什麼矽被稱為半導體。摻入雜質的半導體可以做出玄妙無比的電子元件──電晶體。若說IC是位魔力強大的法師，那電晶體就是這位法師的魔力來源，IC就是透過組合數百萬到數十億個電晶體而達成運算、記憶等功能的。
回到製程，摻字訣的目的是把雜質摻入晶圓的某個區塊中，改變該區塊的電氣屬性。下面就來說說此製程的兩個主要步驟。
離子植入
此步驟會用電場加速特定離子，把它們做為雜質射入晶圓。可以用前面提到的曝光顯影技術做出只覆蓋某些區域的光阻，這樣就能讓離子摻入到指定區域。由於離子被射入晶圓後會集中在某個深度，而且還會破壞矽的結晶架構，所以還要進行下一步驟──退火。
退火
只要加熱晶圓到某個溫度，晶圓裡的矽原子和雜質就會乖乖排隊。這個過程就叫退火。經過退火，原本擠成一團的雜質們會擴散開來，均勻分布在一個區塊內，讓那個區塊成為具有某種特性的導體。
堆疊而起的電路
只要反覆進行鋪、刻、摻字訣中的製程並配合拋光、清洗，就能一層接一層地堆疊出立體的電路結構，過程就像蓋房子一樣。
這是晶圓的一小塊的剖面圖。
幾吋?幾奈米?
半導體產業分析文或新聞上常見到幾吋和幾奈米，例如：
1. 台積電宣布赴美設廠，12 吋半導體供應鏈可能一併前往 (新聞連結)
2. Intel難產7奈米晶片，台積電會是救星嗎？ (文章連結)
所謂的幾吋其實是指晶圓的直徑，12吋晶圓廠的意思就是可以加工處理直徑為12英吋晶圓的工廠。常見的晶圓尺寸有6吋、8吋、12吋，一片晶圓越大，就能切分出越多IC，在良率一樣的情況下，每顆IC的成本就越低，
所謂的幾奈米則是晶圓上的電路最細能做到多細，7奈米製程的意思是電路能做到只有7奈米寬。在微影製程(黃光製程)上的功夫直接影響此指標。電路能做到越細，就能在相同大小的晶片中放入更多電晶體，讓晶片的效能更強大，而且還更省電。值得一提的是，每家廠商對幾奈米製程的定義不完全一樣，大部分廠商為了宣傳效果，會把製程的奈米數喊低，所以才會聽到內行人說英特爾的10奈米製程跟台積電的7奈米製程其實技術水平差不多。
晶圓怎麼變晶片?
IC製造商在晶圓上做出電路後，可以見到晶圓上有很多小方塊，每一個方塊都能做成一顆晶片(chip)，為了把這些小方塊切分開來並包裝成晶片，就需要封裝與測試製程，這個階段一般就會交給日月光、艾克爾、南茂等封測廠。
