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半导体产业从上游到下游都在做什么

2017-06-27 10:29
孤身万里游
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这篇要讨论的重点则是半导体产业从上游到下游到底在做些什么。先来看一下关联图:

图片来源:自制

我们先从大方向了解,之后再局部解说。

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设计公司依客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试,即大功告成啰!

局部解说开始!

(1)硅晶圆制造

半导体产业的最上游是硅晶圆制造。事实上,上游的硅晶圆产业又是由三个子产业形成的,依序为硅的初步纯化 → 多晶硅的制造 → 硅晶圆制造。

硅的初步纯化:

将石英砂(SiO2)转化成冶金级硅(硅纯度98%以上)。

石英砂。资料来源:农村信息网

冶金级硅。资料来源:Jimmybook

多晶硅的制造:

将冶金级硅制成多晶硅。这里的多晶硅可分成两种:高纯度(99.999999999%,11N)与低纯度(99.99999%,7N)两种。高纯度是用来制做IC等精密电路IC,俗称半导体等级多晶硅;低纯度则是用来制做太阳能电池的,俗称太阳能等级多晶硅。

多晶硅。资料来源:太阳能单多晶硅材料

硅晶圆制造:

将多晶硅制成硅晶圆。硅晶圆又可分成单晶硅晶圆与多晶硅晶圆两种。一般来说,IC制造用的硅晶圆都是单晶硅晶圆,而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅晶圆皆有。一般来说,单晶硅的效率会较多晶硅高,当然成本也较高。

硅晶圆。资料来源:台湾研准股份有限公司

(2)IC设计

前面提到硅晶圆制造,投入的是石英砂,产出的是硅晶圆。IC设计的投入则是「好人」们超强的脑力(和肝),产出则是电路图,最后制成光罩送往IC制造公司,就功德圆满了!

不过,要让理工科以外的人了解IC设计并不是件容易的事(就像要让念理工的人了解复杂的衍生性金融商品一样),作者必需要经过多次外出取材才有办法办到。这里先大概是一下观念,请大家发挥一下你们强大的想像力!

简单来讲,IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定 → 逻辑设计 → 电路布局 → 布局后模拟 → 光罩制作。

规格制定:

品牌厂或白牌厂(没有品牌的品牌厂)的工程师和IC设计工程师接触,并开出他们需要的IC的规格给IC设计工程师 (譬如说,第一个脚位和第二个脚位相加要等于第九个脚位)。讨论好规格后,工程师们就开始快乐的工作啰!

逻辑设计:

藉由软件的帮助,工程师们终于完成了逻辑设计图了,来看一下:

控制器逻辑图

所谓的「逻辑」设计图,就是指它是由简单的逻辑元件构成。什么是逻辑元件呢?像是AND Gate(故名思意,两个输入都是1的话,输出才是1,否则输出就是0),OR Gate(两个输入只要有一个输入是1,输出就是1)等。逻辑元件会在IC设计单元再和大家做进一步的介绍。

电路布局:

基本上,就是利用软件的帮助,把友善的逻辑设计图,转化成恶心的电路图。如图:

积体电路图。图片来源:ddvip

大家应该很熟悉吧!里面大部分都是二极体和电晶体!

布局后模拟:

就是再经由软件测试看看,结果是不是和当初「规格制定」是一样的结果啰!

光罩制作:

电路完成后,再把电路制作成一片片的光罩就大功告成啰!完成后的光罩即送往IC制造公司。来看一下光罩长什么样子吧!

光罩

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