半導體是導電性介于導體（金屬）與絕緣體（陶瓷、石頭）之間的物質，包括硅、鍺。
利(li)用半導(dao)體(ti)制作電(dian)(dian)子組件的目的在于(yu)：不像導(dao)體(ti)絕(jue)對導(dao)電(dian)(dian)、絕(jue)緣體(ti)完全不導(dao)電(dian)(dian)；藉由注入雜質，可(ke)以(yi)(yi)精準地調整半導(dao)體(ti)的導(dao)電(dian)(dian)性。由于(yu)硅(gui)擁有(you)較大的能隙、可(ke)以(yi)(yi)有(you)較大雜質摻雜范圍，所(suo)以(yi)(yi)可(ke)以(yi)(yi)被利(li)用來(lai)制作重要的半導(dao)體(ti)電(dian)(dian)子組件晶體(ti)管 (Transistor)。
由(you)于發明(ming)了晶(jing)體(ti)管，這(zhe)個年代成(cheng)為人類(lei)科(ke)技(ji)文明(ming)進步最快的(de)(de)年代，電子技(ji)術(shu)與計算(suan)機工業才開始了長足的(de)(de)發展，堪(kan)稱二十(shi)世紀最偉(wei)大的(de)(de)發明(ming)之一。
發(fa)明(ming)晶體(ti)管的蕭克利(li) (Shockley)、巴丁(ding) (Bardeen) 與布拉頓(dun) (Brattain) 三位物理學家在1956年共同榮獲諾貝爾獎。
1956年，蕭克利在舊金山南方成(cheng)立蕭克利半(ban)導體(ti)實驗室 (Shockley Semiconductor Lab)，帶動美(mei)國(guo)硅谷 (Silicon Valley) 的蓬(peng)勃發(fa)展，硅谷一名稱(cheng)系(xi)由半(ban)導體(ti)原(yuan)料(liao)硅而(er)來。
講到硅谷的(de)發展成因(yin)(yin)與歷史，絕對不(bu)能不(bu)提蕭克(ke)利(li)半導體實驗室(shi)的(de)影響。一(yi)個天才的(de)創(chuang)業會(hui)引來(lai)眾多(duo)天才的(de)投奔，因(yin)(yin)此當時一(yi)堆優秀人才趨之若鶩(mu)地跑(pao)到蕭克(ke)利(li)的(de)實驗室(shi)來(lai)；但后來(lai)因(yin)(yin)蕭克(ke)利(li)暴躁又疑(yi)神疑(yi)鬼的(de)性(xing)格(ge)，又紛紛辭職離(li)去，被蕭克(ke)利(li)怒稱為(wei)「八叛徒」（The Traitorous Eight）。
八(ba)位叛(pan)徒中，包(bao)括了(le)諾伊斯 (Noyce)、摩爾(er) (Moore，就(jiu)是摩爾(er)定(ding)律的那個摩爾(er)！) 等(deng)人，他(ta)們(men)隨后成立了(le)快捷半(ban)導(dao)體 (Fairchild Semiconductor)，成為了(le)第一家將硅晶體管商業化(hua)的公(gong)司。
這家公(gong)(gong)(gong)司(si)最(zui)重要不是它的(de)(de)產(chan)品、而是影響力——快(kuai)捷可(ke)說是硅谷人才的(de)(de)搖籃，創始人和(he)(he)員工出來開的(de)(de)公(gong)(gong)(gong)司(si)和(he)(he)投資的(de)(de)公(gong)(gong)(gong)司(si)在灣區(qu)超過 130家上(shang)市(shi)企業，里面包括了 Intel、AMD 等公(gong)(gong)(gong)司(si)，市(shi)值達 21 萬(wan)億美元。對硅谷乃(nai)至(zhi)當今時代的(de)(de)科技(ji)發展都有(you)著(zhu)不可(ke)或缺的(de)(de)影響和(he)(he)作用。
好啦此為后話不提，讓我們(men)回來看看硅谷發(fa)展一(yi)切的源頭——晶體管(guan)到底是(shi)什么。
晶體(ti)管(guan)的(de)主要(yao)功能有兩個：「放大信號」與「開關」。
晶(jing)體管(guan)(guan)就像是數字(zi)信號的(de)(de)(de)「收(shou)音機(ji)」──收(shou)音機(ji)的(de)(de)(de)原(yuan)理是將微弱的(de)(de)(de)信號放(fang)大、用喇叭發(fa)聲出來，晶(jing)體管(guan)(guan)能(neng)將信號的(de)(de)(de)電(dian)流放(fang)大；而數字(zi)信號是由0與(yu)1組(zu)成，1代表著(zhu)電(dian)流「開」、0代表著(zhu)電(dian)流「關」，晶(jing)體管(guan)(guan)以每秒超(chao)過 1千億(yi)次(ci)的(de)(de)(de)開關來運作，讓電(dian)流以特定方式通過。
這(zhe)邊讓我們(men)來簡單談談晶體(ti)管的運(yun)作原理。
晶體管(guan)由硅(gui)組成，而硅(gui)是 4 顆(ke)(ke)電(dian)子。在(zai)硅(gui)半導體中加入元素磷，具有 5 顆(ke)(ke)電(dian)子、比硅(gui)多一顆(ke)(ke)電(dian)子(-)變成 N 型晶體管(guan) (Negative)。
另外(wai)加(jia)入(ru)元素(su)硼(peng)，具有 3 顆電子(zi)、 比硅少一顆電子(zi)(-)變成 P 型(xing)晶體管(guan) (Positive) 。晶體管(guan)兩端可以通電，稱為「源極(ji)」和「汲極(ji)」。
由(you)于P型和N型分別多了(le)電子(zi)和少(shao)了(le)電子(zi)，所以晶體管在 N 型和 P 型接起來的狀態下電子(zi)不會流通，此(ci)時電流開關為「關」。
為了達到(dao)(dao)開(kai)(kai)關的效果(guo)，我們使用第三(san)個電極(ji)「閘(zha)極(ji)」(Gate) 取(qu)代機械(xie)按鈕開(kai)(kai)關；閘(zha)極(ji)間(jian)以(yi)氧化(hua)層和半導體隔絕。若(ruo)我們在閘(zha)極(ji)上方施(shi)以(yi)正電電壓，讓(rang) N 型多出(chu)來(lai)的電子能夠重新流通(tong)、并從源極(ji)流到(dao)(dao)汲(ji)極(ji)，此時電流開(kai)(kai)關為「開(kai)(kai)」。
上(shang)述即為半導體(ti)組件晶體(ti)管如何(he)藉(jie)由加入雜質(磷、硼)來控制(zhi)導電(dian)性、進而控制(zhi)電(dian)流(liu)開關(guan)的原(yuan)理。
但是(shi)這數億個晶體管在哪里(li)呢(ni)？你可能正在心想：「我手機有大到(dao)能放進數億個晶體管？」
答(da)案是(shi)(shi)(shi)：晶(jing)(jing)體管是(shi)(shi)(shi)納米(mi)(mi)(mi)等(deng)級，比人體細胞還要小。三星(xing)以及臺積電(dian)在先進半導(dao)體制程的 14 納米(mi)(mi)(mi)與 16 納米(mi)(mi)(mi)之爭，14 納米(mi)(mi)(mi)指的就(jiu)是(shi)(shi)(shi)晶(jing)(jing)體管電(dian)流(liu)通(tong)道的寬度(du)。寬度(du)越窄、耗電(dian)量越低(di)；然而(er)原(yuan)(yuan)子的大小約(yue)為 0.1 納米(mi)(mi)(mi)，14 納米(mi)(mi)(mi)的通(tong)道僅能供一百多(duo)顆(ke)原(yuan)(yuan)子通(tong)過。故制作過程中只要有一顆(ke)原(yuan)(yuan)子缺陷(xian)、或者出(chu)現一絲雜質，就(jiu)會影響產品的良率。
對(dui)于半導體大廠而言(yan)，制(zhi)程是(shi)技(ji)術(shu)，但(dan)良率才是(shi)其中(zhong)的(de)關鍵Know-how。一般能將良率維持在八成(cheng)左右已經是(shi)非常困難的(de)事情了，臺積電與聯(lian)電的(de)制(zhi)程良率可以(yi)達到(dao)九成(cheng)五以(yi)上，可見臺灣(wan)晶圓代工的(de)技(ji)術(shu)水平。
事實(shi)上，這數億個晶體管，全部都塞(sai)在一個長(chang)寬(kuan)約半公分、指甲大小的芯片(pian)上。這片(pian)芯片(pian)包含晶體管等電(dian)子(zi)組件，就叫(jiao)做「集成(cheng)電(dian)路」(Integrated Circuit, IC)，俗稱(cheng)IC。
所謂的(de)大(da)規(gui)模(mo)集成(cheng)電(dian)路(lu) (LSI, Large Scale Integration) 代(dai)表的(de)不(bu)是這個電(dian)路(lu)板很(hen)大(da)，而是上面(mian)約一(yi)萬(wan)(wan)個晶(jing)體管(guan)；超大(da)規(gui)模(mo)集成(cheng)電(dian)路(lu) (VLSI, Very Large Scale Integration) 則(ze)約有十萬(wan)(wan)個晶(jing)體管(guan)。
在(zai)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)出現之前，工業(ye)界必(bi)須各自生產晶體管、二極管、電(dian)阻(zu)、電(dian)容(rong)等(deng)電(dian)子組(zu)件，再(zai)把所有組(zu)件連接(jie)起來做成(cheng)電(dian)路(lu)，不但復雜又耗(hao)時費工。故(gu)若能(neng)直接(jie)依照設(she)計圖做出一整個電(dian)路(lu)板，將能(neng)更加精確、速(su)度更快且成(cheng)本(ben)更低。
德州儀器公司的基爾(er)比 (Jack St. Clair Kilby) 是第一(yi)個(ge)想到要(yao)把(ba)組件(jian)放到芯片上集體化的發明人，在1958年他(ta)試驗成(cheng)功(gong)，開辟了一(yi)個(ge)嶄新的計(ji)算機技術(shu)時代(dai)，甚至很(hen)多(duo)學者認為由集成(cheng)電(dian)路所帶(dai)來(lai)的數字革命(ming)是人類歷史中最(zui)重(zhong)要(yao)的事件(jian)。基爾(er)比也因此(ci)于2000年獲得諾貝(bei)爾(er)物理獎。
集成(cheng)電路(lu)的(de)制作過程(cheng)分為(wei)以下步驟。
如同(tong)在蓋房(fang)子之前(qian)，建筑設計(ji)師必須畫出設計(ji)圖，規(gui)劃房(fang)間分布、使用材料(liao)；在制(zhi)作(zuo)(zuo)半(ban)導(dao)體芯片時，工程師會畫出電路圖 (Circuit Diagram)，規(gui)劃一(yi)個芯片上應該要具備的(de)(de)功能(neng) (包括算術邏輯、記憶功能(neng)、 浮點運(yun)算、 數據傳輸)、各個功能(neng)分布在芯片上的(de)(de)區域，與制(zhi)作(zuo)(zuo)所需的(de)(de)電子組件。
接下來(lai)，工程(cheng)師會使用硬(ying)件(jian)描(miao)述(shu)語言 (HDL) 將電路圖描(miao)寫出來(lai)。
待確(que)認無(wu)誤(wu)后再將 HDL 程序代碼放(fang)入電(dian)子設(she)計自動化工具 (EDA tool)，讓計算機將程序代碼轉(zhuan)換成電(dian)路圖。
設計師設計完(wan)房子(zi)后，就(jiu)需要(yao)(yao)將電路設計圖交由建筑工人將房子(zi)蓋出來。蓋房子(zi)需要(yao)(yao)地基，制作芯片也要(yao)(yao)，安置所(suo)有電子(zi)組件的基板就(jiu)是(shi)「晶圓」(Wafer)。
首先，晶(jing)(jing)(jing)圓制造廠會將硅純化(hua)、溶解成液態，再從中(zhong)拉出柱(zhu)狀的(de)硅晶(jing)(jing)(jing)柱(zhu)，上面有一(yi)格一(yi)格的(de)硅晶(jing)(jing)(jing)格，后續可(ke)供(gong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管安(an)置上去。
也由于硅晶(jing)格(ge)的(de)排列是安(an)裝(zhuang)電子組(zu)件(jian)的(de)關鍵(jian)，「拉晶(jing)」的(de)步驟非常重要──晶(jing)柱的(de)制作過程就像(xiang)是在做棉(mian)花糖一樣(yang)，一邊(bian)旋轉一邊(bian)成型(xing)，旋轉拉起的(de)速度(du)以及溫度(du)的(de)控制都會影響到晶(jing)柱的(de)質量。
接下來，晶(jing)(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)廠會用鉆(zhan)石刀像(xiang)切火腿一般，將一整條(tiao)的(de)晶(jing)(jing)(jing)柱切成(cheng)一片(pian)片(pian)的(de)薄片(pian)，再經過拋(pao)光后，就變成(cheng)了「晶(jing)(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)」(Wafer)，也就是芯(xin)片(pian)的(de)基板；晶(jing)(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)上面的(de)晶(jing)(jing)(jing)格可供(gong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管置入。
晶圓(Wafer)上面(mian)的晶格可供晶體管置(zhi)入。
常聽到的(de)(de)8吋(cun)(cun)、12吋(cun)(cun)晶圓廠，代(dai)表的(de)(de)就是(shi)硅晶柱切成(cheng)薄片(pian)(pian)(pian)后(hou)的(de)(de)晶圓直徑，而整塊晶圓可(ke)以再被切成(cheng)一片(pian)(pian)(pian)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)裸晶 (Die)；裸晶經過封裝后(hou)，才(cai)被稱(cheng)為芯片(pian)(pian)(pian) (Chip)、或稱(cheng) IC。
晶圓(yuan)的尺(chi)寸，可以決(jue)定后續裁切制作出來的芯片有多少數量(liang)。
附(fu)注: AnySillicon網站上提(ti)供(gong)的計算器(Die Per Wafer Calculator)可供(gong)計算一塊晶圓上能切出多(duo)少裸晶。
如直徑(jing)8吋的晶(jing)圓(yuan)片使用2.0微米的制程，可(ke)以切出588顆64M的DRAM (內存)；至于12吋的晶(jing)圓(yuan)，可(ke)以切出的成品又更多(duo)。
然而(er)如(ru)先前所(suo)述，硅純(chun)度(du)(du)、拉晶(jing)速度(du)(du)與溫度(du)(du)控制都是晶(jing)柱質量(liang)的關鍵(jian)，越(yue)粗的硅晶(jing)柱越(yue)難拉出好質量(liang)，故(gu)尺寸(cun)越(yue)大、技術難度(du)(du)就越(yue)高，12吋(cun)(cun)晶(jing)圓廠(chang)也就比8吋(cun)(cun)晶(jing)圓廠(chang)的制程更(geng)先進(jin)。
另外，雜質(zhi)對這些完美無缺的硅(gui)晶格(ge)(ge)構成很大(da)的威脅（想(xiang)(xiang)想(xiang)(xiang)看：晶體管比人(ren)體細胞還小，稍有(you)一絲雜質(zhi)變足以(yi)毀壞整個硅(gui)晶格(ge)(ge)了），因此制(zhi)造人(ren)員進(jin)入無塵室(shi)前，都必(bi)須事先(xian)清洗身體、穿戴防(fang)塵衣(yi)、全副武裝采取預(yu)防(fang)措施(shi)。晶圓制(zhi)造環境更比手(shou)術室(shi)干(gan)凈(jing)十(shi)萬倍。
晶(jing)圓會在無塵(chen)的(de)狀態下送到(dao)無塵(chen)室并分裝(zhuang)到(dao)密(mi)封的(de)容器中，進(jin)行(xing)隨后的(de)生(sheng)產(chan)步驟(zou)。
我們在先(xian)前提到，集成電(dian)路 (IC) 跨時(shi)代(dai)的意義在于，工業界不用各自生(sheng)產(chan)電(dian)子(zi)件再組建起來(lai)，可(ke)以一口氣(qi)將電(dian)路板依據電(dian)路圖生(sheng)產(chan)出來(lai)。這是怎(zen)么做到的呢？
答(da)案是：光學攝影技術。一大(da)張(zhang)的電路(lu)設計(ji)圖，要縮小并壓(ya)印到硅晶圓（基板），靠(kao)的就(jiu)是光學原(yuan)理(li)。
首先(xian)光罩(zhao)廠(chang)會將IC設(she)計圖形第一次(ci)縮小，以電子束刻在(zai)石(shi)英片上(shang)，成為光罩(zhao)。
光罩
由于電子(zi)束的寬(kuan)(kuan)度(du)是(shi)1微(wei)(wei)米，所(suo)以(yi)光罩(zhao)上依據設計圖所(suo)刻出的半導體(ti)回(hui)路(lu)也是(shi)1微(wei)(wei)米寬(kuan)(kuan)。接下來(lai)光罩(zhao)廠會將完(wan)成的光罩(zhao)送進(jin)晶圓廠。
芯(xin)片(pian)制造，也就(jiu)是(shi)將光(guang)罩(zhao)上(shang)刻的設(she)計圖、第(di)二度縮小至晶圓上(shang)。與底片(pian)洗出相(xiang)(xiang)片(pian)的原理(li)一樣，「光(guang)罩(zhao)」就(jiu)是(shi)照(zhao)相(xiang)(xiang)底片(pian)、「晶圓」就(jiu)是(shi)相(xiang)(xiang)片(pian)紙。
晶(jing)圓上(shang)(shang)(shang)面會事先涂上(shang)(shang)(shang)一層光(guang)(guang)阻 （相(xiang)片感光(guang)(guang)材料(liao)），透(tou)過紫外光(guang)(guang)的(de)照射與凸透(tou)鏡(jing)聚(ju)光(guang)(guang)效果、會將光(guang)(guang)罩上(shang)(shang)(shang)的(de)電(dian)路(lu)結構縮小并烙印(yin)在(zai)晶(jing)圓上(shang)(shang)(shang)，最后(hou)印(yin)在(zai)晶(jing)圓上(shang)(shang)(shang)的(de)半(ban)導體回路(lu)會從光(guang)(guang)罩的(de) 1 微米(mi)、變為(wei) 0.1 微米(mi)。陰影(ying)以外的(de)部(bu)分(fen)會被紫外光(guang)(guang)破壞，隨后(hou)能被沖洗液洗掉。
藉由光蝕刻與微(wei)影成像(xiang)，晶(jing)圓(yuan)廠成功將設計圖轉印到(dao)微(wei)小(xiao)的(de)(de)(de)晶(jing)圓(yuan)基板上(shang)。如同底片(pian)質量會影響照片(pian)成像(xiang)的(de)(de)(de)好壞，光罩上(shang)圖形(xing)的(de)(de)(de)細(xi)致度是芯片(pian)質量的(de)(de)(de)關鍵。
光刻制程(cheng)結(jie)束(shu)后，工(gong)程(cheng)師會在晶圓上(shang)繼續加入離子。透(tou)過注(zhu)入雜質到硅的結(jie)構中控制導電性，與一連串的物理過程(cheng)，制造出(chu)晶體管。其(qi)過程(cheng)相(xiang)當復(fu)雜，甚至需要像兩(liang)個(ge)足球場大的無塵(chen)室。
待(dai)晶(jing)圓上的晶(jing)體(ti)管(guan)、二極管(guan)等(deng)電(dian)子組件制(zhi)作完成(cheng)(cheng)后，工程(cheng)師會將(jiang)銅倒入溝槽(cao)中形(xing)成(cheng)(cheng)精細的接線，將(jiang)許(xu)多晶(jing)體(ti)管(guan)連結(jie)起來(lai)。在(zai)指甲大(da)的空(kong)間里(li)，數(shu)公里(li)長的導(dao)線連接了數(shu)億個晶(jing)體(ti)管(guan)，制(zhi)作成(cheng)(cheng)大(da)規模集成(cheng)(cheng)電(dian)路。至此，偉大(da)的建(jian)筑就完成(cheng)(cheng)了。
晶圓完成后被送到(dao)封裝(zhuang)廠，會(hui)切割成一(yi)(yi)片片的「裸(luo)晶」，如先(xian)前圖(tu)所示。由于裸(luo)晶小(xiao)而薄(bo)、非常容易(yi)刮傷(shang)，故封裝(zhuang)廠會(hui)將(jiang)裸(luo)晶安裝(zhuang)在導線(xian)架上、在外面封裝(zhuang)上絕緣的塑料體或陶瓷外殼，剪下來印上委(wei)托制(zhi)造公司的標志(zhi)。最后進行測(ce)試，進行芯(xin)片結構及功能的確(que)認、將(jiang)不(bu)良品挑出，一(yi)(yi)顆芯(xin)片就(jiu)大功告成了！
1960年代集(ji)成(cheng)電路(lu)的(de)發明，讓(rang)許多的(de)半導(dao)體組件可以一次放在一塊芯片上(shang)。隨著半導(dao)體的(de)縮(suo)小，IC上(shang)可容納的(de)晶體管數目(mu)，約每(mei)隔兩年便會(hui)增加(jia)一倍、性能(neng)每(mei)18個月能(neng)提升一倍 。
從1960年(nian)(nian)代(dai)不到(dao)10個(ge)(ge)，1980年(nian)(nian)代(dai)增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)10萬(wan)個(ge)(ge)、1990年(nian)(nian)代(dai)增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)1000萬(wan)個(ge)(ge)。這個(ge)(ge)現(xian)象由英特爾(er)(er)(er)的名(ming)譽董事長(chang)摩爾(er)(er)(er)所提出，稱為摩爾(er)(er)(er)定律 (Moore’s Law)。如今，集成電路上(shang)的組件高達數億至(zhi)數十億個(ge)(ge)。
早期(qi)，半導體公司(si)多是從(cong)IC設計、制(zhi)(zhi)造、封裝(zhuang)、測(ce)試(shi)到(dao)銷售都(dou)一手包辦(ban)的(de)整合(he)組件制(zhi)(zhi)造商(shang)(Integrated Device Manufacturer, 俗(su)稱IDM)，如(ru)英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、東芝(zhi) (Toshiba)，以及國(guo)內的(de)華邦(bang)、旺宏。
然而，由于摩(mo)爾定(ding)律的關系，半導體(ti)芯片(pian)的設計和制作越(yue)來(lai)越(yue)復雜、花(hua)費越(yue)來(lai)越(yue)高，單獨(du)一家半導體(ti)公(gong)司(si)(si)往往無法負(fu)擔從(cong)上游到下游的高額(e)研發(fa)與制作費用(yong)，因此(ci)到了1980年代末期，半導體(ti)產業(ye)逐(zhu)漸走向專業(ye)分工(gong)的模式(shi)──有些公(gong)司(si)(si)專門(men)設計、再交(jiao)由其他公(gong)司(si)(si)做晶(jing)圓代工(gong)和封裝測(ce)試。
半導體(ti)產業(ye)(ye)在近數十年來(lai)的(de)發(fa)展速度不只驚人，許(xu)多(duo)重大(da)的(de)創新也支持了眾(zhong)多(duo)其他產業(ye)(ye)也、產生了極大(da)的(de)影響，可以說是數字時代(dai)之母。毫(hao)無疑問地，在未來(lai)，半導體(ti)的(de)應(ying)用與產業(ye)(ye)規模，將會(hui)比今(jin)日來(lai)的(de)更加廣泛且舉足(zu)輕(qing)重。