半導體產業介紹-概覽

常常聽到台灣最熱門的半導體產業/電子產業，那究竟甚麼是半導體呢?

日常中我們常用的電腦、手機、電視、乃至於汽車、資料中心伺服器、航太都脫離不了半導體的蹤影，以智慧型手機來說，內部就含有許多功能不同的IC (Integrated circuit, 積體電路)，負責掌管手機的運作計算、記憶體、聲音、影像的處理都是由這些IC們所完成的。

積體電路是由電晶體(Transistor)所組成，製作電晶體的材料為半導體材料，目前主流的半導體材料就是矽(Silicon)，我們常常聽到的矽晶圓矽晶圓，其實就是生產半導體最初始的材料。而為甚麼會用矽呢? 那就不得不提到矽具有的獨特性質:

為甚麼要特別強調”半導”呢，其實阿，我們日常生活中的各類物質，基本上可以依據其導電性分為三大種類: 導體、半導體、絕緣體，所謂導體呢，那就是會導電的意思啦~常見的例子就是金屬，例如銅、銀等都是非常好的導電物。

而絕緣體呢，顧名思義就是不怎麼導電的物質，舉例來說: 玻璃、塑料等都是非常好的絕緣體，這也是為甚麼電線的外圍都要包覆一層絕緣塑料的緣故，不然電器在運作時只要人一碰到電線那是十分危險的!

而半導體，就是導電性界在導體及絕緣體之間，換句話說，我們可以透過一些方法讓半導體變成導體，也可以讓它變成絕緣體，這個發現真的是創造了許多厲害的科技發明，以手機為例，為甚麼我們要用半導體當作內部運算的晶片而不用導體呢? 不知道各位有沒有想過這樣的問題，如果使用導體的話，那只要電池有電，你的手機就會一直在全速運作(應該沒人會希望自己手機沒辦法待機吧?!)，而至於半導體為甚麼會具有這樣特殊的性質，就必須牽涉到一些比較深的物理，有興趣的可以參考專業的書籍。

矽很常見，關於這件事情大家不知道會部會覺得很訝異，明明我的生活周遭都沒有矽阿?怎麼會很常見呢? 其實矽的最初始原料就是沙子! 透過將沙子提煉成多晶矽(Polycrystalline Silicon)，再進行裁切，就可以製作成半導體最初始的材料–矽晶圓，如此方便的取得性也讓矽晶圓成為現今最被廣泛使用的半導體基板材料。

看完了以上對於半導體以及半導體材料的基本介紹，不知道你有沒有對於半導體更加理解了呢?

再來我們要進入到半導體產業的介紹囉!

半導體產業可以依照積體電路製造的順序分成: IC設計–>晶圓製造–>IC封裝與測試，這三大項目涵蓋了一顆晶片的生命故事，可以參考以下的圖片，先為大家列出來一顆IC從設計到成品出貨的流程，以及其中部分代表的公司。

IC設計簡而言之就是要將晶片的設計圖畫出來，如同先前提到的舉例，製作出一顆IC就像是蓋房子一樣，而IC設計工程師就是房子的設計師(設計內部電路結構的人)

IC設計商就是設計IC的公司，常見的design house如台灣的聯發科、聯詠、瑞昱等等，而國外的design house則像是高通(Qualcomm)、輝達(NVIDIA)、超微(AMD)、博通(Broadcom)等等。各家design house的主力產品不同，例如聯發科主力產品為智慧型手機晶片、消費性電子(智慧家庭/電視等)的晶片。而像是NVIDIA則是全球繪圖處理器(GPU)的霸主、以及伺服器、高速運算(HPC)的晶片製造商。

IC設計的流程簡單來說可以分為前段以及後段，前段主要為定義晶片的規格及用途以及將電路的描繪、生成，而後段則是電路的佈局(layout)、驗證(Verification)、晶片下線(tape-out，意思是將設計好的晶片送交晶圓製造廠開始生產光罩並量產的過程)。

在沒有電子設計自動化工具之前，要設計一個電路必須要手動完成電路圖繪製、線路佈局等工作，但是隨著晶片結構越來越複雜，人工的方式已經不可行，因此電子設計自動化(以下會簡稱EDA)的工具就誕生了。EDA 是一種能讓IC設計更方便快速的工具，透過電腦語言以及演算法，將設計晶片的過程簡單化、自動化。隨著EDA 工具的進步，IC設計工程師也能更好地設計出越來越複雜的電路，減少產品開發的時間，提高競爭力。

常見的EDA公司像是新思(Synopsys)、益華電腦(Cadence)、明導國際(Mentor Graphics)，以新思科技為例，新思提供了客製化設計平台、驗證平台、光罩合成、良率管理等系統，能夠幫助其客戶(IC設計公司及晶圓製造商)更有效率地進行晶片開發與生產。

所謂的矽智財，指的是一種智慧財產權(IP)，IP通常是滿足特定規格且經過驗證、可重複使用的特定功能區塊，IC設計公司只要將IP放入自家晶片的某個區塊，便能夠取得這項功能，使的晶片開發的過程更加快速。這樣講可能有一點抽象，重新回到蓋房子的舉例，前面提到IC設計的主要目地就是要繪出房子的設計圖，但是要從無到有自己畫完整個設計圖實在太耗費資源了，這時候就會有所謂的IP提供商，他們會提供給你一部份畫好的區塊，例如一塊設計好的廚房區塊(可以直接拿來用，就不用自己重新設計廚房了)，這時候IC設計公司就可以直接把廚房的設計納入自家的設計圖中，便擁有了這項IP的功能，也節省了整體開發的成本。

全球最著名的IP提供商有像是ARM、Synopsys、Cadence(全球前三名)，而台灣公司則有像是力旺、智原、創意等公司。

晶圓製造，就是負責將IC設計出來的電路圖製造出來，而如何製作出設計圖上複雜的結構呢? 就是藉由光罩(Mask)和黃光微影(Lithography)來定義出電晶體一層一層設計的圖形，配合上擴散(Diffusion)，蝕刻(Etching)，薄膜沉積(CVD/PVD)，化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)，清洗(Clean)等多道程序，製作成電晶體，就像是蓋房子一樣，這些製程步驟透過搭配，就如一磚一瓦地將一個複雜的房屋結構建立起來。

全球涵蓋晶圓製造業務的代表公司如: 台積電(TSMC)、三星電子(Samsung)、聯電(UMC)、格羅方德(Global Foundries)、世界先進(VIS)、力積電(PSMC)等。

一顆IC要從製造到生產，除了提供製程生產的Foundry以外，提供各道製程所需設備的半導體設備商也是同等重要，倘若沒有這些設備商提供專業的設備，那麼現今的半導體生產技術也不可能如此精密、成熟。

如同前面Foundry所介紹的，半導體的製程大致上可以分為黃光微影(Lithography)、擴散(Diffusion)、蝕刻(Etching)、薄膜沉積(CVD、PVD)、研磨(CMP)等等步驟，自然而然設備商也會術業有專攻，每家設備商也會有自己主打製程的機台，例如說: 著名的荷蘭半導體設備商ASML，就是全球黃光機台的霸主，現今最先進的黃光技術–極紫外光微影(EUV)就是ASML的獨家技術。其他設備商如科林研發(LAM)則是於半導體蝕刻的機台佔有相當大的市占率、應用材料(AMAT)則是全球最大的半導體設備商(與ASML互爭第一二名)，則在許多種類的機台都具有市佔，例如薄膜沉積、離子植入、蝕刻、熱處理、研磨等等。半導體設備商的客戶即是上述所提到的晶圓製造商(Foundry)，設備商負責提供機台、專業的維修服務以及機台使用教學、與客戶合作進行製程細節調整等等，兩者的合作關係是半導體生產良率穩定以及製程技術突破不可或缺的關鍵。

半導體生產材料的供應商也是IC生產不可或缺的角色，半導體製程的過程之中，常常會需要運用到一些特殊的化學品、特殊氣體等等，例如蝕刻的過程中運用到的化學液體、氣體，微影製程所需要用到的光阻液等等，還有最重要的矽晶圓，這些都是由各家原物料供應商所提供。這些材料供應商的客戶亦是上述所提到的晶圓製造廠如台積電、聯電等等，提供高純度、高品質的生產材料，也是晶片生產不可或缺的關鍵。 (以下僅列出部分)

矽晶圓供應商: FST、GlobalWafers、SEH、Siltronic

氣體供應商: Air Liquide、Air Products、Central Glass、Entegris

製程化學原料: DuPont、BASF、Air Liquide、Merck、3M、Fujifilm Electronic Materials

研磨液、研磨墊: 3M、AGC、Cabot Microelectronics、DuPont

所謂的IC封測其實是指的是IC製作完成後的封裝與測試，所謂的封裝，即是將晶片以塑膠/金屬等外殼包覆起來，避免晶片受到外界環境如水氣、靜電的影響而影響其運作。

而測試則是將製作完成的IC送進測試機台進行測試，測試的目地就是要確認製造出來的晶片功能是正常的。IC測試會利用測試機台對晶圓上的每個晶粒(Die)做測試，通常來說，測試的項目會依照晶片/產品的使用需求不同而有不同的流程跟測試規格，透過測試，工程師可以快速了解那些晶粒是有缺陷(defect)以及電性的異常(例如漏電過高、速度過慢等等)。如此一來便能夠確保送到消費者手上的產品，其晶片運作效能是符合設計規範的。

IC封測產業也是台灣領先世界的產業，全球最大的IC封測公司–日月光公司(ASE Group)就是台灣的公司(又是另一個台灣世界第一)、還有像是力成科技、矽品、南茂科技、頎邦科技等都是在IC封測領域擁有高營收的公司。

以上就是整個半導體產業的概略介紹，半導體的世界真的是博大精深阿!

奶油自己本身也是進到業界才知道原來一顆IC的生產需要這麼多公司、人力的參與，我們手上拿的手機、用的電腦，背後運算的每一個小小IC每來頭都不簡單呢!

希望各位讀者透過這篇文章可以對整個半導體產業鏈有初步的認識! 我們下次見!