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大家都是电子行业的人，对芯片，对各种封装都了解不少，但是你知道一个芯片是怎样设
计出来的么？你又知道设计出来的芯片是怎么生产出来的么？看完这篇**你就有大概的
了解。
复杂繁琐的芯片设计流程 芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为
地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片（这些会在后面介绍）。
然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是 IC
设计中的建筑师究竟是谁呢？本文接下来要针对 IC 设计做介绍。
在 IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计，像是联发科、高通、
Intel 等知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。
因为 IC 是由各厂自行设计，所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着一
间企业的价值。然而，工程师们在设计一颗 IC 芯片时，究竟有那些步骤？设计流程可以简
单分成如下。
设计第一步，订定目标
在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定
要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，
这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设
计出来的芯片不会有任何差错。
规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何，对大方向做设定。接着是察看有
哪些协定要符合，像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範，不然，这芯片将
无法和市面上的产品相容，使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 的实作方法，
将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，如此便完成规格的制定。
设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画，
将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬体描述语言（HDL）将
电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗 IC
地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能
为止。
▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。
有了电脑，事情都变得容易
有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中，逻辑合成这个步
骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code
转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格
并修改，直到功能正确为止。
▲ 控制单元合成后的结果。
最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线（Place And Route）。
在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜
色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢？
▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成电路
布局与绕线的结果。
层层光罩，叠起一颗芯片
首先，目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有
各自的任务。下图为简单的光罩例子，以积体电路中最基本的元件 CMOS 为範例，CMOS
全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就
是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合，形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体（MOS）？
这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明，一般读者也较难弄清，在这裡就不多加细究。
下图中，左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，在前面已经知道每种颜色便
代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是，便由底层开始，依循上一篇 IC
芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。
至此，对于 IC 设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业，
也多亏了电脑辅助软体的成熟，让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智慧，
这裡所述的每个步骤都有其专门的知识，皆可独立成多门专业的课程，像是撰写硬体描述
语言就不单纯的只需要熟悉程式语言，还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演
算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。
其中主要半导体设计公司有英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、
联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大、大唐、智芯、敦泰、士兰、中星、格科等。
什么是晶圆？ 在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如 8 寸或是 12
寸晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中 8 寸指的是什么部分？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（wafer），是制造各式电脑芯片的基础。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叠，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。
（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）
首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的
凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，
也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面
整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。
在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个
接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，
便可以满足以上的需求。然而，该如何产生这样的材料呢，主要有二个步骤，分别为纯化
以及拉晶，之后便能完成这样的材料。
如何制造单晶的晶圆
纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方
式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅。大部份的金属提炼，像是铁或铜等金属，皆是
采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是，98% 对于芯片制造来说依旧不够，仍需要
进一步提升。因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯化，如此，将获
得半导体制程所需的高纯度多晶硅。
▲ 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。
▲ 单晶硅柱（Souse：Wikipedia）
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