晶片是怎麼做出來的？半導體製程流程一次看懂

晶片是這樣做出來的：把沙子裡的矽提煉得非常純，做成一片片圓形的晶圓；在晶圓廠裡，把電路一層一層「印」上去、「刻」出來，重複幾十次；最後測試、切開、包進外殼，再測一次，好的才出貨。晶圓上做出來的，是很多很多個小開關（電晶體）和連接它們的導線。整條路要走幾百道步驟，光是在晶圓廠裡，就要好幾週到幾個月。

下面照順序一步一步講做什麼、為什麼，細節都有專文。

晶片製造有哪些步驟？一張表看完

順序	步驟	在哪裡	做什麼
1	做晶圓	做晶圓的工廠	把矽提煉到非常純，長成晶棒，切成晶圓
2	設計、做光罩	設計公司、光罩廠	在電腦上設計電路，做成一套印電路用的光罩
3	一層一層做電路	晶圓廠	清洗、氧化、長膜、黃光、蝕刻、植入、磨平，重複幾十次
4	晶圓測試	封測廠或測試廠	切開之前，每一顆晶片先測一次
5	切割、封裝	封測廠	切成一顆一顆，裝進保護它的外殼
6	成品測試	封測廠	包好再測一次，好的才出貨
7	裝進產品	客戶的組裝廠	焊上電路板，裝進手機、電腦，交到使用者手上

第 1、2 步不是一前一後，而是不同的地方各自準備；晶圓和光罩都到了晶圓廠，第 3 步才開始。產業裡常把第 3 步叫「前段」，第 4 到 6 步叫「後段」，也就是封測。

第一步：晶圓是怎麼來的？

沙子和石英的主要成分是二氧化矽，由矽和氧組成（為什麼用矽，可以讀「半導體是什麼？」）。先用碳在高溫的爐子裡把氧拿掉，得到純度大約九成八、九成九的矽；再用化學方法一再提純，做晶片的矽要純到 99.9999999%（九個 9）以上。

接著把它熔化，用一小塊原子排得整整齊齊的矽當種子，一邊旋轉、一邊慢慢往上拉，長成一根圓柱形的晶棒，再切成薄片、拋光到像鏡子一樣平，就是晶圓。現在最常見的直徑是 30 公分（12 吋），厚度不到一公釐。它為什麼是圓的，寫在「晶圓為什麼是圓的？」。

第二步：為什麼要先設計、做光罩？

因為晶圓廠是照著圖做的。工程師先用電腦設計電路：要放哪些開關、怎麼接，模擬、檢查很多遍。確定了，就把設計圖交出去，這叫下線。設計圖接著做成一套光罩，每一層圖案一片，常常有幾十片，像印電路用的底片。

同一個晶片的設計，會像棋盤一樣排滿整片晶圓，一片同時做幾十到上萬顆（晶片和晶圓差在哪，見「晶片是什麼？」）。

第三步：晶圓廠裡在做什麼？

一批晶圓放上生產線，叫投片。接下來，它會在這幾種步驟之間來回走：

1. 清洗：用藥液和超純水洗掉看不見的顆粒、有機物和金屬。幾乎每一大步前後都要洗，是重複最多的步驟之一。（晶圓清洗是什麼？）
2. 爐管（氧化）：一次把上百片送進很熱的長管子，讓矽表面長出一層不導電的二氧化矽，或用熱把撞亂的原子排回去。（爐管在做什麼？）
3. 薄膜：在晶圓上鋪一層新的材料，絕緣的、導電的都有，多半只有幾奈米到幾百奈米厚。（薄膜製程是什麼？）
4. 黃光（微影）：塗一層怕光的光阻，隔著光罩照光、顯影，把這一層的圖案印上去。（微影（黃光）是什麼？）
5. 蝕刻：照著光阻的圖案，把沒被蓋住的材料刻掉，圖案才真的做進晶圓裡。（蝕刻是什麼？）
6. 離子植入：把硼、磷這類原子打進矽裡，決定哪一小塊導電、導多少；不打的地方，先用光阻蓋住。（離子植入是什麼？）
7. CMP（磨平）：每疊一層，表面就高低不平；磨平了，下一層的圖案才印得清楚。（CMP 是什麼？）

重要的步驟做完，還要抽幾片去量：膜多厚、線多寬、上下層對得準不準、有沒有多出來的微粒。數字一偏，就停下來找原因（晶圓廠怎麼知道做對了沒？）。這七種工作各有自己的區，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」。

為什麼要一層一層重複幾十次？

因為晶片像一棟大樓。最底下是做在矽裡的電晶體，也就是開關；上面一層一層疊著很細的金屬導線，把開關接起來，最先進的晶片可以疊到十層以上。

每一層的形狀都不一樣，所以每一層都要重新走一輪：長一層材料，用黃光印上這一層的圖案，照著蝕刻或植入，洗乾淨，磨平，再做下一層。簡單的晶片十層上下，複雜的要幾十層；一片晶圓會回到黃光區幾十次，加起來就是幾百道步驟。晶圓廠裡也常把「先做電晶體」和「再做導線」分成前後兩半來講。

為什麼要在無塵室裡做？

因為晶片上的線太密了：最先進的晶片，最密的線一條跟一條的間距只有幾十奈米。一顆眼睛看不見的灰塵落上去，就像在電路上壓了一顆大石頭，可能讓一條線斷掉，或讓兩條線連在一起，那一顆晶片就壞了。

所以晶片在無塵室裡做：過濾過的空氣從天花板一路往下吹，人要穿從頭包到腳的無塵衣，晶圓在廠裡移動時也裝在密封的盒子裡。有多乾淨，見「無塵室有多乾淨？」。

晶圓做完之後呢？測試、切割、封裝

晶圓離開晶圓廠，送到封測廠（或專門的測試廠），接下來大致是：

1. 晶圓測試：切開之前，用很細的針扎在每一顆晶片的接點上，通電測一遍，好的壞的畫成晶圓圖。這叫針測：先把壞的挑掉，就不用花錢去包它。（晶片怎麼測試？）
2. 切割：晶圓從背面磨薄，再沿著晶片之間的細縫切開，變成一顆一顆。
3. 封裝：常見的做法是把晶片黏在一塊小底板上，用比頭髮還細的金屬線把接點接出去（打線是什麼？），再用塑膠整個包起來。外殼保護又薄又脆的晶片、把接點接到外面、幫它散熱。（封裝是什麼？）
4. 成品測試：包好再測一次，因為封裝也可能把晶片弄壞。有些產品出貨前，還會先在高溫下通電跑一段時間，讓體質弱的先壞、先挑出來。（預燒是什麼？）
5. 出貨：好的零件常放進長條帶子的小格子、捲成一盤，送到客戶的工廠，由機器一顆一顆焊上電路板，裝進產品，交到使用者手上。

做一顆晶片要多久？

從投片到晶圓做完，常要好幾週到幾個月，越先進、層數越多的越久（投片是什麼？）。這段時間大部分不是在加工，而是在機台前面排隊。機台很貴，晶圓又要走這麼久，所以晶圓廠 24 小時不停（晶圓廠為什麼 24 小時不停？）。晶圓做完之後，封測還要再花一段時間，才出貨。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」，就是跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走完這條路。序章「下線」：螢火的設計交給晶圓廠，做成一套光罩。第一幕在研發線，第 2 章「一站一站」是投片後的頭五天：你跟著第一批 12 片，走過清洗、爐管、薄膜、黃光、蝕刻、CMP、植入七個區，每一區親手做一步。第二幕在量產廠，你是蝕刻區的製程工程師，螢火的一批急件 H-2417 卡在蝕刻機裡。第三幕在封測廠，從晶圓測試走到出貨前一晚。終章，它裝進一副助聽器，交到沈爸爸手上。每一段對到哪一章，「晶片的一生」那一頁有整理。

想在某一區多待一天，按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」或「研發線」，左右滑到那個工作，有分區的再點一區。遊戲裡的公司、晶片、人物、批號和數字都是虛構的；晶片怎麼做出來、每一步為什麼要做，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。