【半导体科普】细看晶圆代工之争，纳米工艺是什么？▼

最近，三星以及台积电在先进半导体制程打得相当火热，彼此都想要在晶圆代工中抢得先机以争取订单，几乎成了14纳米与16纳米之争，然而14纳米与16纳米这两个数字的究竟意义为何，指的又是哪个部位？而在缩小工艺后又将来带来什么好处与难题？以下我们将就纳米工艺做简单的说明。

纳米

到底有多细微？

在开始之前，要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上，纳米是0.000000001米，但这是个相当差的例子，毕竟我们只看得到小数点后有很多个零，却没有实际的感觉。如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显。

用标尺实际测量的话可以得知指甲的厚度约为 0.0001 米（0.1 毫米），也就是说试着把一片指甲的侧面切成 10 万条线，每条线就约等同于1 纳米，由此可略为想象得到1 纳米是何等的微小了。

知道纳米有多小之后，还要理解缩小工艺的用意，缩小晶体管的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的晶体管，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求。

再回来探究纳米工艺是什么，以14纳米为例，其工艺是指在芯片中，线最小可以做到14纳米的尺寸，下图为传统晶体管的长相，以此作为例子。缩小晶体管的最主要目的就是为了要减少耗电量，然而要缩小哪个部分才能达到这个目的？左下图中的L就是我们期望缩小的部分。藉由缩小闸极长度，电流可以用更短的路径从Drain 端到Source 端（有兴趣的话可以利用Google以MOSFET搜寻，会有更详细的解释）。

（Source：www.slideshare.net）

更重要的是，藉由这个方法可以增加 Gate 端和下层的接触面积。在传统的做法中（左上图），接触面只有一个平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）这个技术后，接触面将变成立体，可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让 Source-Drain 端变得更小，对缩小尺寸有相当大的帮助。

最后，则是为什么会有人说各大厂进入 10 纳米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子的大小大约为 0.1 纳米，在 10 纳米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的良率。

如果无法想象这个难度，可以做个小实验。在桌上用 100 个小珠子排成一个 10×10 的正方形，并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉，最后使他形成一个10×5的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境，以及达成这个目标究竟是多么艰巨。

随着三星以及台积电在近期将完成14纳米、16纳米 FinFET 的量产，两者都想争夺Apple下一代的iPhone 芯片代工，我们将看到相当精彩的商业竞争，同时也将获得更加省电、轻薄的手机，要感谢摩尔定律所带来的好处呢。

【半导体科普】半导体产业的根基：硅晶圆是什么？▼

在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如8吋或是 12 吋晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中8吋指的是什么部分？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

是什么？

晶圆（wafer），是制造各式计算机芯片的基础。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栈，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。

▲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。

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。

1.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。

2.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。

3.蚀刻技术：将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。

4.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。

▲ 左图的 IC 芯片为 OP741，是常见的电压放大器。右图为它的剖面图，这个封装是以金线将芯片接到金属接脚（Leadframe）。（Source ：左图Wikipedia、右图Wikipedia）

至于球格数组（Ball Grid Array，BGA）封装，和 DIP 相比封装体积较小，可轻易的放入体积较小的装置中。此外，因为接脚位在芯片下方，和 DIP 相比，可容纳更多的金属接脚，

相当适合需要较多接点的芯片。然而，采用这种封装法成本较高且连接的方法较复杂，因此大多用在高单价的产品上。

▲ Apple Watch采用SiP技术将整个计算机架构封装成一颗芯片，不单满足期望的效能还缩小体积，让手表有更多的空间放电池。（Source：Apple官网）

采用 SiP 技术的产品，最著名的非Apple Watch 莫属。因为 Watch 的内部空间太小，它无法采用传统的技术，SoC的设计成本又太高，SiP成了首要之选。藉由SiP技术，不单可缩小体积，还可拉近各个 IC 间的距离，成为可行的折衷方案。下图便是Apple Watch芯片的结构图，可以看到相当多的IC包含在其中。

▲ Apple Watch 中采用 SiP 封装的 S1 芯片内部配置图。（Source：chipworks）

完成封装后，便要进入测试的阶段，在这个阶段便要确认封装完的IC是否有正常的运作，正确无误之后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品。至此，半导体产业便完成了整个生产的任务。