晶圓代工廠如何突破物理極限提升光刻技術(shù)？

晶片是用來干嘛的？為什么日常生活中會用到晶片呢？晶片這么重要嗎？晶圓又是什么呢？

在過去，需要將電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件焊接成電路，并將這個能執(zhí)行簡單邏輯運(yùn)算的電路裝置在電子產(chǎn)品上，才能夠讓電子產(chǎn)品順利運(yùn)作，然而手工焊接不僅成本高且耗時，效果也不理想。后來德州儀器的工程師–杰克·基爾比，便想到如果能夠事先設(shè)計(jì)好電路圖，然后照電路圖將所有電子元件整合在矽晶元上，便能解決手工焊接的難題，而這就是全世界第一個“集成電路”也就是我們常聽到的IC（IntegratedCircuit）的由來。

集成電路發(fā)明后，技術(shù)也開始高速發(fā)展，一個晶片從原本僅能塞不到五個電晶體，到后來可以塞下數(shù)億個電晶體。而電晶體縮得越小，除了更低的能耗、延遲以及更高的效能外，也讓晶片隨之縮小，電子產(chǎn)品也能越來越小。如今這些優(yōu)點(diǎn)正反應(yīng)在電子產(chǎn)品上，讓生活越來越方便。

晶圓代工是什么？

晶圓代工（Foundry）是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一種商業(yè)模式，指接受其他無廠半導(dǎo)體公司（Fabless）委托、專門從事晶圓成品的加工而制造集成電路，并不自行從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與后端銷售。下面帶你認(rèn)識晶圓代工的流程。

晶圓代工流程一：矽晶圓生產(chǎn)

晶片最偉大的貢獻(xiàn)，莫過于將原本僅能執(zhí)行0和1的邏輯運(yùn)算（注）的電晶體，集合在一起形成具有強(qiáng)大處理能力的運(yùn)算中樞，而連結(jié)這些電晶體的基板就是“矽”這個元素。

之所以會選擇“矽”作為IC的主要原料，是因?yàn)槲谧匀唤缰袑儆凇鞍雽?dǎo)體”，也就是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體的存在，可以借由加入雜質(zhì)，來調(diào)整半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，進(jìn)而控制電流是否流通，達(dá)到訊號切換的功能，換句話說就是讓晶片能夠順利執(zhí)行0和1的運(yùn)算，而能操控電子產(chǎn)品。

矽晶圓的制造流程簡化來說就是將“矽”加工至可用來放置電子元件的“矽晶圓”：

純化：矽的前身是石英砂，里面含有許多雜質(zhì)，因此需要將其純化，主要方式為將石英砂加入碳并加熱還原成冶金級矽，隨后將其丟入反應(yīng)爐中與氯化氫以及氫氣反應(yīng)形成多晶矽。

拉晶：將多晶矽置入單晶爐中，透過加熱處理、接入晶種（注1）后，就可以從中拉出半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的“單晶矽柱”（矽晶柱），上面會有可擺放電晶體的“矽晶格”，也因此矽晶柱的品質(zhì)掌控對于晶圓廠來說至關(guān)重要，拉晶的速度、溫度的控制等等因子都有可能大大影響到最后的生產(chǎn)品質(zhì)，而矽晶柱直徑越大，拉晶也就越難。（注2）

注1：這邊的晶種指的是一小塊單晶矽，透過將晶種與熔融物接觸并冷卻凝固，借此形成大晶體，目的是讓晶圓的原子排列能與晶種相同。

注2：單晶矽與多晶矽的區(qū)別：當(dāng)矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核時，如果各個晶核的晶面取向相同，則稱為單晶矽，如果晶面取向不同，則稱為多晶矽，在電學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)上，單晶矽優(yōu)于多晶矽，因此在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中多采用單晶矽作為主要原料。

到這邊為止，安置電子元件的基板–矽晶圓便完成了，而我們常在新聞中看到的8寸晶圓廠、12寸晶圓廠，指的其實(shí)就是矽晶圓的直徑，不過，為什么要特地分成8寸、12寸或是X寸呢？

8寸晶圓?vs?12寸晶圓

其實(shí)關(guān)鍵就在于“生產(chǎn)成本”。簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算就可知道，一片12寸晶圓的表面積是一片8寸晶圓的2.25倍，也就是說在相同良率下，12寸晶圓廠的生產(chǎn)效率會是8寸晶圓廠的2.25倍，因此只要兩種晶圓尺寸的生產(chǎn)成本差距在2.25倍以下的話，生產(chǎn)12寸晶圓便會比生產(chǎn)8寸晶圓來的有優(yōu)勢，故生產(chǎn)12寸晶圓其實(shí)是較為先進(jìn)的技術(shù)。

12寸晶圓廠較有生產(chǎn)效率，為什么還要保留8寸晶圓廠？

前面提到，12寸晶圓廠的產(chǎn)量平均來說會是8寸晶圓廠的兩倍多，因此在產(chǎn)能滿載的前提下，12寸廠比較符合成本效益，然而對于某些客戶集中在利基市場的廠商來說，不見得有足夠的出貨量去支撐12寸廠帶來的額外產(chǎn)能，因此對這些廠商來說，也就沒必要花更多的資金投資技術(shù)門檻更高的12寸廠。

8寸晶圓供不應(yīng)求？

前面提到，某些產(chǎn)品市場規(guī)模不大，因此透過8寸或6寸晶圓廠來生產(chǎn)較有效率，相對的某些產(chǎn)品市場規(guī)模較大，因此產(chǎn)線通常都會分布在12寸晶圓廠。過去12寸晶圓廠主要拿來生產(chǎn)智能手機(jī)、筆記本電腦等有高階運(yùn)算需求的晶片，另一方面6寸、8寸晶圓廠則是用于生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)、車用元件等運(yùn)算能力要求度不高的晶片。

由于過去12寸晶圓廠為市場主流，因此部分晶圓設(shè)備廠已經(jīng)停止生產(chǎn)8寸晶圓廠的設(shè)備，而直接蓋新的8寸廠又需要龐大的資金，對于大部分業(yè)者來說難以負(fù)荷。外加隨著5G逐漸普及，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的晶片需求提升，因此8寸晶圓市場近期才會供不應(yīng)求。

晶圓代工流程二：集成電路制造

回到IC制造的工作流程介紹，前面提及過去制作電路的方法，是將所有的電子元件手工連接起來，而相較之下集成電路的優(yōu)勢，就在于他是直接依照設(shè)計(jì)好的電路圖，一口氣將所有電子元件整合在一起。因此有個一致的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)起來容易許多。

這兩種電路制作模式的關(guān)鍵差異來自于“光學(xué)原理”。

簡單來說，集成電路制造就是將從IC設(shè)計(jì)廠拿到的“電路設(shè)計(jì)圖”透過光學(xué)成像的原理轉(zhuǎn)移到“矽晶圓”上，最后依照設(shè)計(jì)圖架構(gòu)，在矽晶元上集成化所需的電子元件：

▲ 步驟1–鍍上薄膜：于矽晶片表面鍍上氧化層（或金屬）。

▲ 步驟2–涂上光阻：于薄膜表面涂上光阻劑，該光阻劑曝光后化學(xué)結(jié)構(gòu)會改變，變的相當(dāng)易溶。

▲ 步驟3–顯影：透過紫外光與凸透鏡的聚光效果，將光罩上的電路圖縮小并投影在光阻上。

▲ 步驟4–蝕刻：透過特殊化學(xué)溶液將被紫外光照射的光阻沖洗掉，接著再透過另一種化學(xué)溶液將步驟1的薄膜沖洗掉。

▲ 步驟5–光阻去除：接著最后一樣以化學(xué)溶液將光阻去除。

注：實(shí)際過程相當(dāng)復(fù)雜，需要堆疊許多不同材質(zhì)的薄膜在特定的位置，因此需要好幾十層的光罩并且不斷重復(fù)上述步驟才能完成光刻制程，其他關(guān)于晶圓清洗、烘烤等步驟限于篇幅的關(guān)系，無法詳細(xì)陳述。

在光刻制程結(jié)束后，緊接著就是注入雜質(zhì)（磷原子與硼原子）到矽晶片（半導(dǎo)體）中控制其導(dǎo)電性，至此，構(gòu)成集成電路所需的電晶體及相關(guān)的元件便已依照設(shè)計(jì)好的電路圖在矽晶片上集成完畢，最后將銅倒入溝槽中形成電子接線，將數(shù)億個電晶體串接起來后，近半個世紀(jì)以來不斷推動科技進(jìn)步的基石–集成電路便就此完成。

晶圓代工廠如何突破物理極限提升光刻技術(shù)？

相信有在關(guān)注臺積電的人多少會看過跟上述類似的新聞，不過在探討什么是摩爾定律、EUV等專有名詞前，必須先了解光刻技術(shù)如何演進(jìn)。

R=k1xＮＡ是光學(xué)微影的分辨率公式，要想要有更好的成像品質(zhì)，就必須要想辦法提升分辨率，上述公式中，R代表至多可以曝出多小的線寬，越小則代表越精細(xì)、分辨率越高，能夠執(zhí)行越精細(xì)的光刻作業(yè)，代表光在真空中的波長，NA代表成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，k1則是一系數(shù)（受到許多制程相關(guān)因子影響）。

所以根據(jù)上述公式，要想提高分辨率，主要可以透過降低光源波長或是提高成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（注）來達(dá)成。

注：數(shù)值孔徑（NA）沒有單位。是用以衡量一個光學(xué)系統(tǒng)（鏡頭）能夠收集的光的角度范圍。

EUV是什么？

EUV微影技術(shù)的落實(shí)延續(xù)了摩爾定律的壽命，這里的EUV指的其實(shí)是一種紫外光源，跟過去光刻技術(shù)所采用的光源比起來，EUV的波長更短，因此有助于大幅提高分辨率。

摩爾定律是什么？

摩爾定律指的是集成電路上可容納的電晶體數(shù)目，約每隔十八個月到兩年增加一倍、性能也提升一倍，所以與其說是“定律”，其實(shí)它更像是一個用來描述集成電路產(chǎn)業(yè)演進(jìn)軌跡的指標(biāo)，而近幾年許多新聞媒體之所以會認(rèn)為摩爾定律快走到盡頭，主要就是因?yàn)檫^去采用DUV光源的光刻技術(shù)在分辨率的提升上已經(jīng)到達(dá)極限，換句話說就是媒體認(rèn)為晶圓代工廠已經(jīng)沒有辦法提供具有更高效能的晶片，這對晶圓代工廠甚至是對整個科技產(chǎn)業(yè)來說都會是相當(dāng)大的沖擊，也幸虧EUV微影技術(shù)的成功，才讓摩爾定律得以延續(xù)。

晶圓幾奈米是什么意思？

奈米是一公尺的負(fù)9次方，也就是頭發(fā)厚度的10萬分之一。而新聞上看到的“XX奈米”，則是指晶片上電晶體控制電流通過的“閘極長度”，長度越小，電晶體就越小，能塞進(jìn)晶片的電晶體數(shù)量就越多，設(shè)備的效能也會相應(yīng)提升。

而隨著技術(shù)精進(jìn)，奈米制程也逐步縮小。就如前所述，網(wǎng)路越來越快，也因此需要更先進(jìn)、更精密的晶片。這，就讓臺積電“純代工”的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。

編輯：黃飛

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