晶圓代工爭霸戰半導體知識（前傳）

半導體與生活
1. 現代科技
  1. 網路平台
  2. 雲端運算
2. 智慧型手機
  1. 上網
  2. 應用程式
3. 感測元件
  1. 智慧家庭
  2. 穿戴式裝置
  3. 自動車
4. 所有產業
  1. 電子商務
  2. 金融
  3. 醫療
  4. 法務
  5. 面臨大規模巨變
5. 科技浪潮
  1. 提供更便利的社會
  2. 生活無限可能
6. 相互連結
  1. 上千台
  2. 電腦伺服器
7. 未來
  1. AR
    1. 支援擴增實境
  2. 3D影像
    1. 支付等功能
貢獻
1. 全球產業
  1. 電子元件與電腦
    1. 48.5%
  2. 服務
    1. 5.6%
  3. 其他
    1. 6.1%
  4. 交通運輪
    1. 14.9%
  5. 工業
    1. 24.9%
2. 全球經濟體中
  1. 每年經濟效益
    1. 7 兆美元
  2. 2012年
    1. 台灣
      1. 突破 2 兆台幣
      2. 世界第 2
      3. 最大的產業群
      4. 18萬人就業
      5. 十萬青年十萬肝，GG輪班救台灣
3. 2.7兆美金
什麼是半導體?
1. 導電性介於導體（金屬）與絕緣體（陶瓷、石頭）之間的物質
  1. 包括矽、鍺。
2. 利用半導體
  1. 製作電子元件
    1. 目的
      1. 不像導體絕對導電
      2. 絕緣體完全不導電
      3. 藉由注入雜質
      4. 可以精準地調整
      5. 半導體的導電性
      6. (矽)擁有
      7. 較大的能隙
      8. 有較大雜質摻雜範圍
      9. 用來製作
      10. 半導體電子元件
      11. 電晶體 (Transistor)
      12. 二十世紀最偉大的發明之一
      13. 人類科技文明進步最快的年代
      14. 電子技術與電腦工業才開始了長足的發展
誰發明
1. 三位物理學家
  1. 蕭克利
    1. (Shockley)
      1. 巴丁 (Bardeen)
      2. (Bardeen)
      3. 布拉頓 (Brattain)
      4. (Brattain)
    2. 1956年
      1. 舊金山南方
      2. 蕭克利半導體實驗室
      3. 矽谷
      4. 帶動美國矽谷 (Silicon Valley) 的蓬勃發展
      5. 名稱係由半導體原料矽而來。
2. 獲諾貝爾獎
  1. 1956年
電晶體功能
1. 1.放大信號
  1. 像是數位訊號的「收音機」
    1. 收音機的原理
      1. 將微弱的訊號放大
      2. 用喇叭發聲出來
  2. 電晶體能將訊號的電流放大
2. 2.開關
  1. 數位訊號是由0與1組成
    1. 1代表著電流「開」
    2. 0代表著電流「關」
    3. 每秒超過 1千億次
      1. 開關來運作
      2. 讓電流以特定方式通過
電晶體的運作原理
1. 電晶體由矽組成
  1. 矽是 4 顆電子
  2. 在矽半導體中
    1. 加入元素
      1. 磷
      2. 具有 5 顆電子
      3. 比矽多一顆電子
      4. N 型電晶體 (Negative)
      5. 多了電子
      6. 硼
      7. 具有 3 顆電子
      8. 比矽少一顆電子
      9. P 型電晶體 (Positive)
      10. 少了電子
    2. 接起來
      1. 不會流通
      2. 電流開關為「關」
      3. 電晶體兩端可以通電
      4. 「源極」
      5. 「汲極」
2. 運作原理
  1. 開和關
    1. 為了達到開關的效果
      1. 使用第三個電極
      2. 閘極」(Gate)
      3. 取代機械按鈕開關
      4. 閘極間
      5. 氧化層
      6. 半導體隔絕
      7. 在閘極上方施以
      8. 正電電壓
      9. 讓 N 型多出來的電子
      10. 重新流通
      11. 從源極流到汲極
      12. 電流開關為「開」。
  2. 半導體元件電晶體
    1. 藉由加入雜質(磷、硼)來控制導電性
      1. 進而控制電流開關的原理。
這數億個電晶體在哪裡呢?
1. 我手機有大到能放進數億個電晶體？」
  1. 答案是：電晶體是奈米等級
2. 比人體細胞還要小
  1. 台積電
    1. 三星
  2. 先進半導體製程
    1. 14 奈米
      1. 16奈米
  3. 14 奈米指的就是
    1. 電晶體電流通道
      1. 寬度
  4. 寬度越窄
    1. 耗電量越低
  5. 然而原子的大小約
    1. 為 0.1 奈米
      1. 14 奈米的通道僅能供一百多顆原子通過
3. 故製作過程中
  1. 只要有一顆原子缺陷
    1. 或者出現一絲雜質
      1. 就會影響產品的良率
  2. 對於半導體大廠而言
    1. 製程是技術
      1. 但良率才是其中的關鍵Know-how
  3. 一般能將良率維持
    1. 持在八成左右
      1. 已經是非常困難的事情了
  4. 台積電與聯電的製程良率
    1. 可以達到九成五以上
      1. 可見台灣晶圓代工的技術水平
4. 事實上
  1. 這數億個電晶體
    1. 全部都塞在一個長寬約半公分
      1. 指甲大小的晶片上
  2. 這片晶片包含
    1. 電晶體等電子元件
      1. 就叫做「積體電路」
      2. (Integrated Circuit, IC)
      3. 俗稱IC
IC
1. 積體電路
  1. 大規模積體電路
    1. (LSI, Large Scale Integration)
    2. 這個電路板很大
      1. 而是上面約一萬個電晶體
  2. 超大規模積體電路
    1. (VLSI, Very Large Scale Integration)
    2. 則約有十萬個電晶體
積體電路是怎麼製作出來的呢？
1. 在積體電路出現之前
  1. 工業界必須各自生產
    1. 電晶體
      1. 二極體
      2. 電阻
      3. 電容
      4. 等電子元件
  2. 再把所有元件連接起來做成電路
    1. 不但複雜又耗時費工
  3. 故若能直接依照設計圖做出一整個電路板
    1. 將能更加精確
      1. 速度更快且成本更低
  4. 德州儀器公司
    1. 基爾比 (Jack St. Clair Kilby)
      1. 是第一個想到
      2. 要把元件放到晶片上
      3. 集體化的發明人
      4. 在1958年他試驗成功
      5. 開闢了一個嶄新的電腦技術時代
      6. 甚至很多學者認為由積體電路
      7. 所帶來的數位革命
      8. 是人類歷史中最重要的事件
      9. 基爾比也因此於2000年獲得諾貝爾物理獎
2. 一. 建築設計: IC設計 (CIRCUIT DESIGN)
  1. 如同在蓋房子之前
    1. 建築設計師必須畫出設計圖
      1. 規劃房間分布
      2. 使用材料
  2. 在製作半導體晶片時
    1. 工程師會畫出電路圖 (Circuit Diagram)，
      1. 規劃一個晶片上應該要具備的功能
      2. (包括算術邏輯、記憶功能、浮點運算、數據傳輸)
      3. 各個功能分布在晶片上的區域
      4. 與製作所需的電子元件。
      5. 接下來
      6. 程師會使用硬體描述語言 (HDL) 將電路圖描寫出來
      7. 待確認無誤後
      8. 再將 HDL 程式碼放入電子設計自動化工具 (EDA tool)，
      9. 讓電腦將程式碼轉換成電路圖。
3. 二. 建築地基: 晶圓製造 (WAFER FOUNDRY)
  1. 設計師設計完房子後
    1. 就需要將電路設計圖交由建築工人將房子蓋出來
      1. 蓋房子需要地基
  2. 製作晶片也要
    1. 置所有電子元件的基板就是「晶圓」(Wafer)。
  3. 首先
    1. 晶圓製造廠會將矽純化
      1. 溶解成液態
      2. 再從中拉出柱狀的矽晶柱
      3. 上面有一格一格的矽晶格
      4. 後續可供電晶體安置上去。
  4. 也由於矽晶格的排列是安裝電子元件的關鍵
    1. 「拉晶」的步驟非常重要
      1. 晶柱的製作過程就像是在做棉花糖一樣
      2. 一邊旋轉一邊成型
      3. 旋轉拉起的速度
      4. 以及溫度的控制
      5. 都會影響到晶柱的品質。
  5. 接下來
    1. 晶圓廠會用鑽石刀像切火腿一般
      1. 將一整條的晶柱切成一片片的薄片
      2. 再經過拋光後
      3. 就變成了「晶圓」(Wafer)
      4. 也就是晶片的基板
      5. 晶圓上面的晶格可供電晶體置入
  6. 常聽到的8吋
    1. 12吋晶圓廠
      1. 代表的就是矽晶柱切成薄片後的晶圓直徑
      2. 晶圓直徑
      3. 而整塊晶圓可以再被切成一片片的
      4. 裸晶 (Die)
      5. 裸晶經過封裝後
      6. 才被稱為晶片 (Chip)
      7. 或稱 IC
      8. 晶圓的尺寸
      9. 可以決定後續裁切製作出來的晶片有多少數量。
      10. 附註: AnySillicon網站上提供的計算機(Die Per Wafer Calculator)
      11. 可供計算一塊晶圓上能切出多少裸晶。
  7. 如直徑8吋的晶圓片使用2.0微米的製程
    1. 可以切出588顆64M的DRAM (記憶體)；
  8. 至於12吋的晶圓
    1. 可以切出的成品又更多。
  9. 然而如先前所述
    1. 矽純度
      1. 拉晶速度與溫度控制都是晶柱品質的關鍵
    2. 越粗的矽晶柱越難拉出好品質
      1. 故尺寸越大
      2. 技術難度就越高
      3. 12吋晶圓廠也就比8吋晶圓廠的製程更先進。
  10. 另外
    1. 雜質對這些完美無缺的矽晶格構成很大的威脅
      1. （想想看：電晶體比人體細胞還小
      2. 稍有一絲雜質變足以毀壞整個矽晶格了）
    2. 因此製造人員進入無塵室前
      1. 都必須事先清洗身體
      2. 穿戴防塵衣、
      3. 全副武裝採取預防措施
      4. 晶圓製造環境更比手術室乾淨十萬倍。
      5. 晶圓會在無塵的狀態下送到無塵室並分裝到密封的容器中
      6. 進行隨後的生產步驟。
4. 三. 建築成形: 光罩製作 (光蝕刻與微影成像)
  1. 我們在先前提到
    1. 積體電路 (IC) 跨時代的意義在於
      1. 工業界不用各自生產電子件再組建起來，
      2. 可以一口氣將電路板依據電路圖生產出來
      3. 這是怎麼做到的呢？
  2. 答案是：光學攝影技術
    1. 一大張的電路設計圖
      1. 要縮小並壓印到矽晶圓（基板），
      2. 靠的就是光學原理。
  3. 首先光罩廠會將IC設計圖形第一次縮小，
    1. 以電子束刻在石英片上
      1. 成為光罩。
  4. 由於電子束的寬度是1微米
    1. 所以光罩上依據設計圖所刻出的半導體迴路也是1微米寬。
      1. 接下來光罩廠會將完成的光罩送進晶圓廠。
  5. 晶片製造，
    1. 也就是將光罩上刻的設計圖
      1. 第二度縮小至晶圓上
      2. 與底片洗出相片的原理一樣
      3. ，「光罩」就是照相底片
      4. 、「晶圓」就是相片紙。
      5. 晶圓上面會事先塗上一層光阻（相片感光材料），
      6. 透過紫外光的照射與凸透鏡聚光效果
      7. 會將光罩上的電路結構縮小並烙印在晶圓上
      8. 最後印在晶圓上的半導體迴路會從光罩的 1 微米
      9. 變為 0.1 微米。
      10. 陰影以外的部分會被紫外光破壞
      11. 隨後能被沖洗液洗掉。
  6. 藉由光蝕刻與微影成像
    1. 晶圓廠成功將設計圖轉印到微小的晶圓基板上
      1. 如同底片品質會影響照片成像的好壞
      2. 光罩上圖形的細緻度是晶片品質的關鍵。
  7. 光刻製程結束後，
    1. 工程師會在晶圓上繼續加入離子
      1. 透過注入雜質到矽的結構中控制導電性，
      2. 與一連串的物理過程
      3. 製造出電晶體
      4. 其過程相當複雜
      5. 甚至需要像兩個足球場大的無塵室。
  8. 待晶圓上的電晶體
    1. 二極體等電子元件製作完成後
      1. 工程師會將銅倒入溝槽中形成精細的接線
      2. 將許多電晶體連結起來
  9. 在指甲大的空間裡
    1. 數公里長的導線連接了數億個電晶體
      1. 製作成大型積體電路
      2. 至此，偉大的建築就完成了。
5. 四. 成品包裝: 封裝與測試
  1. 晶圓完成後被送到封裝廠
    1. 會切割成一片片的「裸晶」，
      1. 由於裸晶小而薄
      2. 非常容易刮傷
    2. 故封裝廠會將裸晶安裝在導線架上
      1. 在外面封裝上絕緣的塑膠體或陶瓷外殼
      2. 剪下來印上委託製造公司的標誌
    3. 最後進行測試
      1. 進行晶片結構及功能的確認
      2. 將不良品挑出
      3. 一顆晶片就大功告成了！
半導體大廠有哪些？
1. 由於摩爾定律
  1. 1960年代積體電路的發明
    1. 讓許多的半導體元件
      1. 可以一次放在一塊晶片上
    2. 隨著半導體的縮小
      1. 約每隔兩年便會增加一倍
      2. 性能每18個月能提升一倍
    3. 從1960年代不到10個
      1. 1980年代增加到10萬個、
      2. 1990年代增加到1000萬個
    4. 這個現象由英特爾
      1. 名譽董事長摩爾所提出
      2. 稱為摩爾定律(Moore’s Law)
      3. 摩爾定律(Moore’s Law)
    5. 如今，積體電路上的元件
      1. 高達數億至數十億個。
  2. 早期
    1. 半導體公司
      1. 一手包辦的整合元件製造商
      2. (Integrated Device Manufacturer, 俗稱IDM)
      3. 從IC設計、製造、封裝、測試到銷售
      4. 英特爾(Intel)
      5. 德州儀器(TI)
      6. 摩托羅拉(Motorola)
      7. 三星(Samsung)
      8. 菲利普(Philips)
      9. 東芝(Toshiba)
      10. 華邦
      11. 旺宏
  3. 半導體晶片的設計和製作越來越複雜
    1. 花費越來越高
  4. 單獨一家半導體公司往往無法負擔從上游到下游的高額研發與製作費用
  5. 因此到了1980年代末期
    1. 半導體產業逐漸走向專業分工的模式
      1. 有些公司專門設計
      2. 由於IC設計公司只設計和銷售晶片
      3. 但將製造、封裝、測試外包給第三方
      4. 以專心投入資金與人力研發
      5. 故被稱為無廠半導體(Fabless Semiconductor Company)
      6. 高通(Qualcomm)
      7. 博通(Broadcom)
      8. 聯發科(MediaTech)
      9. 國紫光集團下的展訊(SpreadTrum)。
      10. 再交由其他公司做晶圓代工
      11. 台積電(TSMC)
      12. 全球排名第一
      13. 聯電(UMC)
      14. 全球排名第二
      15. 格羅方德(GlobalFoundries)
      16. 中芯(SMIC)
      17. 封裝測試。
      18. 台灣半導體封裝大廠日月光(ASE)排名全世界第一
      19. 全球市占近20%
      20. 排名第二為美商艾克爾(Amkor)
      21. 第三亦為台灣廠商矽品(SPIL)
2. 重要里程碑
  1. 1987年台積電(TSMC)的成立
    1. 由於一家公司只做設計
      1. 製程交給其他公司
      2. 容易令人擔心機密外洩的問題
    2. 比如若高通和聯發科兩家彼此競爭的IC設計廠商若同時請台積電晶圓代工
      1. 等於台積電知道了兩家的秘密)
    3. 故一開始台積電並不被市場看好
      1. 然而，台積電本身沒有出售晶片
      2. 純粹做晶圓代工
      3. 更能替各家晶片商設立特殊的生產線
      4. 並嚴格保有客戶隱私
      5. 成功證明了專做晶圓代工是有利可圖的