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谁将成为下一代领导者?晶圆代工厂商竞合策略解读

2017-05-02 11:13
龙凰
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二。 建筑地基: 晶圆制造 (WAFER FOUNDRY)

设计师设计完房子后,就需要将电路设计图交由建筑工人将房子盖出来。盖房子需要地基,制作晶片也要,安置所有电子元件的基板就是“晶圆”(Wafer)。

首先,晶圆制造厂会将硅纯化、溶解成液态,再从中拉出柱状的硅晶柱,上面有一格一格的硅晶格,后续可供电晶体安置上去。

也由于硅晶格的排列是安装电子元件的关键,“拉晶”的步骤非常重要──晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样,一边旋转一边成型,旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。

接下来,晶圆厂会用钻石刀像切火腿一般,将一整条的晶柱切成一片片的薄片,再经过抛光后,就变成了“晶圆”(Wafer),也就是晶片的基板;晶圆上面的晶格可供电晶体置入。

晶圆(Wafer)上面的晶格可供电晶体置入。

常听到的8吋、12吋晶圆厂,代表的就是硅晶柱切成薄片后的晶圆直径,而整块晶圆可以再被切成一片片的裸晶 (Die);裸晶经过封装后,才被称为晶片 (Chip)、或称 IC。

晶圆的尺寸,可以决定后续裁切制作出来的晶片有多少数量。

附注: AnySillicon网站上提供的计算机(Die Per Wafer Calculator)可供计算一块晶圆上能切出多少裸晶。

如直径8吋的晶圆片使用2.0微米的制程,可以切出588颗64M的DRAM (记忆体);至于12吋的晶圆,可以切出的成品又更多。

然而如先前所述,硅纯度、拉晶速度与温度控制都是晶柱品质的关键,越粗的硅晶柱越难拉出好品质,故尺寸越大、技术难度就越高,12吋晶圆厂也就比8吋晶圆厂的制程更先进。

另外,杂质对这些完美无缺的硅晶格构成很大的威胁(想想看:电晶体比人体细胞还小,稍有一丝杂质变足以毁坏整个硅晶格了),因此制造人员进入无尘室前,都必须事先清洗身体、穿戴防尘衣、全副武装采取预防措施。晶圆制造环境更比手术室干净十万倍。

晶圆会在无尘的状态下送到无尘室并分装到密封的容器中,进行随后的生产步骤。

三。 建筑成形: 光罩制作 (光蚀刻与微影成像)

我们在先前提到,集成电路 (IC) 跨时代的意义在于,工业界不用各自生产电子件再组建起来,可以一口气将电路板依据电路图生产出来。这是怎么做到的呢?

答案是:光学摄影技术。一大张的电路设计图,要缩小并压印到硅晶圆(基板),靠的就是光学原理。

首先光罩厂会将IC设计图形第一次缩小,以电子束刻在石英片上,成为光罩。

光罩

由于电子束的宽度是1微米,所以光罩上依据设计图所刻出的半导体迴路也是1微米宽。接下来光罩厂会将完成的光罩送进晶圆厂。

晶片制造,也就是将光罩上刻的设计图、第二度缩小至晶圆上。与底片洗出相片的原理一样,“光罩”就是照相底片、“晶圆”就是相片纸。

晶圆上面会事先涂上一层光阻 (相片感光材料),透过紫外光的照射与凸透镜聚光效果、会将光罩上的电路结构缩小并烙印在晶圆上,最后印在晶圆上的半导体迴路会从光罩的 1 微米、变为 0.1 微米。阴影以外的部分会被紫外光破坏,随后能被冲洗液洗掉。

藉由光蚀刻与微影成像,晶圆厂成功将设计图转印到微小的晶圆基板上。如同底片品质会影响照片成像的好坏,光罩上图形的细致度是晶片品质的关键。

光刻制程结束后,工程师会在晶圆上继续加入离子。透过注入杂质到硅的结构中控制导电性,与一连串的物理过程,制造出电晶体。其过程相当复杂,甚至需要像两个足球场大的无尘室。

待晶圆上的电晶体、二极体等电子元件制作完成后,工程师会将铜倒入沟槽中形成精细的接线,将许多电晶体连结起来。在指甲大的空间裡,数公里长的导线连接了数亿个电晶体,制作成大型集成电路。至此,伟大的建筑就完成了。

四。 成品包装: 封装与测试

晶圆完成后被送到封装厂,会切割成一片片的“裸晶”,如先前图所示。由于裸晶小而薄、非常容易刮伤,故封装厂会将裸晶安装在导线架上、在外面封装上绝缘的塑胶体或陶瓷外壳,剪下来印上委託制造公司的标志。最后进行测试,进行晶片结构及功能的确认、将不良品挑出,一颗晶片就大功告成了!

半导体大厂有哪些?

1960年代集成电路的发明,让许多的半导体元件可以一次放在一块晶片上。随著半导体的缩小,IC上可容纳的电晶体数目,约每隔两年便会增加一倍、性能每18个月能提升一倍 。

从1960年代不到10个,1980年代增加到10万个、1990年代增加到1000万个。这个现象由英特尔的名誉董事长摩尔所提出,称为摩尔定律 (Moore’s Law)。如今,集成电路上的元件高达数亿至数十亿个。

早期,半导体公司多是从IC设计、制造、封装、测试到销售都一手包办的整合元件制造商(Integrated Device Manufacturer, 俗称IDM),如英特尔 (Intel)、德州仪器 (TI)、摩托罗拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、东芝 (Toshiba),以及国内的华邦、旺宏。

然而,由于摩尔定律的关系,半导体晶片的设计和制作越来越複杂、花费越来越高,单独一家半导体公司往往无法负担从上游到下游的高额研发与制作费用,因此到了1980年代末期,半导体产业逐渐走向专业分工的模式──有些公司专门设计、再交由其他公司做晶圆代工和封装测试

其中的重要里程碑莫过于1987年台积电 (TSMC) 的成立。

由于一家公司只做设计、制程交给其他公司,容易令人担心机密外泄的问题 (比如若高通和联发科两家彼此竞争的IC设计厂商若同时请台积电晶圆代工,等于台积电知道了两家的秘密),故一开始台积电并不被市场看好。

然而,台积电本身没有出售晶片、纯粹做晶圆代工,更能替各家晶片商设立特殊的生产线,并严格保有客户隐私,成功证明了专做晶圆代工是有利可图的。

如今台积电是全球排名第一的晶圆代工公司。知名厂商亦包括联电 (UMC)、格罗方德 (GlobalFoundries)、中芯 (SMIC)。

由于IC设计公司只设计和销售晶片,但将制造、封装、测试外包给第三方、以专心投入资金与人力研发,故被称为无厂半导体 (Fabless Semiconductor Company),包括高通 (Qualcomm)、博通 (Broadcom)、联发科 (MediaTek),与紫光集团下的展讯 (SpreadTrum)。

最后,台湾半导体封装大厂日月光(ASE)排名全世界第一,全球市占近20%。排名第二为美商艾克尔(Amkor)、第三亦为台湾厂商硅品(SPIL)。

半导体产业在近数十年来的发展速度不只惊人,许多重大的创新也支持了众多其他产业也、产生了极大的影响,可以说是数位时代之母。毫无疑问地,在未来,半导体的应用与产业规模,将会比今日来的更加广泛且举足轻重。

最后为大家轻松总结一下我们这篇已经提到的知识,同时看看还有哪些知识虽然在本篇文章中没有提到、但同样很重要的,预告一下会在下篇出现:

“ IC”的中文叫“集成电路”,在电子学中是一种把电路(包括半导体装置、元件)小型化、并制造在半导体晶圆表面上。所以半导体只是制作“IC”的原料。

因为是将电路缩小化,你也可以叫它“微电路 (microcircuit)”、“微晶片 (microchip)”、“晶片 (chip)”。

也就是说,台湾媒体常称的半导体产业链,正确一点来说应该叫“IC设计”、“IC制造”、“IC封装”!

因为在 IC 设计和封装的环节都不会碰到半导体啊啊~半导体只是原料,重点是那颗 IC!IC设计的厂商有发哥 (MTK) 和高通、封装则有日月光和硅品。

而我们从头到尾在介绍的“半导体大厂”只有台积电 (TSMC) 等晶圆代工厂在做的事,包括如何把电路缩小化、和晶圆代工的制程。

好啦,晶圆代工的制程就总结到这里。

从下一篇开始,我们要从产业链往上回溯来解答这几个问题,看看 IC 晶片的用途、又是怎么设计来的。

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