台灣之光 — — 半導體
文/吳宗翰
2020年在新冠疫情的肆虐下，全球的經濟都受到了很大的影響，各產業的經濟損失已難以估計，但有些產業卻逆勢崛起，其中在台灣不得不提的就是半導體。台灣身為全球晶圓代工重鎮，在這段期間不僅可以穩定的提供產能，更讓美國、德國等國家紛紛找上門談合作，希望能夠優先拿到晶片，以維持產業的供應鏈。可見這項技術在世界有著舉足輕重的地位，我們都應該要認識這「台灣之光」，所以本文將逐步介紹半導體，例如晶圓是什麼 ? 最重要的半導體製程又是什麼 ? 以下都會有著詳細的介紹。
什麼是半導體?
半導體是導電性介於導體（金屬）與絕緣體（陶瓷、石頭）之間的物質，常見的材料是矽、鍺。我們可以利用半導體材料製作電子元件，這類型的材料不像絕緣體完全不導電、導體完全導電，半導體材料可以依照不同的需求，來製作出不同的導電性，常見的方式是摻雜雜質，藉此來調控元件的導電性。
而日常生活中最重要的電子元件就是「場效應電晶體」，由閘極（Gate）、汲極（Drain）、源極（Source）所組成，可以在閘極施加電壓，來控制汲極與源極之間的通道大小，藉此來控制元件的電流大小。我們可以想像閘極是一個閥門，可以調控水流的大小，而水流正是通過電晶體的電流。在我們日常生活中，電晶體可以做為放大電路，用來放大信號，也可以快速的改變閘極電壓，讓電流以特定方式通過，形成一下有電流（1）、一下沒電流（0）的數位信號，容易進行傳遞與運算，運用在我們日常的電腦、手機、家電中，像是手機就有高達上百億顆電晶體。
晶圓的製造：
說到這裡，有人可能會問小小一台手機，真的有這麼多顆電晶體嗎？到底是怎麼辦到的呢，這就要從半導體、電晶體跟晶圓的關係開始介紹了！晶圓（wafer），是製造各式電腦晶片（chip）的基礎。我們可以將製程比擬成蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成設計的模樣。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會不牢固，因此，為了做出完美的房子，便需要一個平穩的基板，這個基板正是晶圓。
晶圓常用的材料是矽，也就是前面提及的半導體材料。首先，為了減少缺陷，需使用高純度的矽，因此會加入碳，以氧化還原與純化的方式，將氧化矽轉換成非常高純度的矽。接著，將前面所獲得的高純度矽融化，形成液態的矽。最後放入矽晶種（seed）和液體表面接觸，讓矽原子順著矽晶種排列，並將其慢慢地旋轉向上拉起，等待凝固後矽晶柱就完成了。之後為了形成我們要的平穩基板，也就是晶圓，會使用鑽石刀將矽晶柱橫向切成圓面，圓面再經由拋光便可形成我們要的矽晶圓，也就是常聽到的8吋晶圓、12吋晶圓，其中的吋指的是切成薄圓面後的直徑，越大尺寸的晶圓製造難度越高。
完成晶圓後，之後的半導體製程像是蓋房子可以做出我們要的結構設計，而手機裡上百億顆電晶體也是在這後續製程裡出現的，這後續製程有上百多道，重點流程包含了蝕刻（etch）、黃光（photo）、擴散（diffusion）、薄膜（thin film），彼此環環相扣，才能完成最終的設計。但在這些製程當中最關鍵的製程、可以決定圖案大小的則是黃光製程，像是台灣的台積電在製程上表現出色，準備進行3奈米試產，但這數字的究竟意義為何，指的又是哪個部位？ 讓我們著重介紹黃光製程。
半導體製程 — — 黃光：
在黃光製程中會需要用到紫外線來當作曝光光源，其波長在10奈米至400奈米，為了防止在曝光過程中被環境光干擾，所以選用波長為600奈米的黃光來做為這段製程的環境燈，也就是這段製程叫做黃光的由來。黃光區的目的是要做出設計的圖案，主要分為3個流程，光阻塗佈、對準曝光、光阻顯影。首先，光阻是由樹脂、感光劑、溶劑所組成。樹脂是一種高分子聚合物，它使光阻具有機械和化學特性，感光劑則是光阻的感光成分，其接受光源後，可以產生化學反應，而溶劑是使光阻保持液態，以便於塗佈在晶圓上。為了固定液狀的光阻，會在塗完光阻後拿去烤盤加熱，使光阻凝固。
接著照射曝光光源於光罩(mask)上，光罩可以設計多樣的圖案，來決定照到光的位置，而目前最新的曝光光源是使用波長為13.5奈米的極紫外光(EUV)，極紫外光因為波長很短(相較於100奈米的DUV)，可以控制更微小的線寬。極紫外光機台非常的巨大，大約等於一台校車，是目前最大的半導體生產機台，如果要運送機台，還需要4架貨機、20台氣墊卡車，而它的價錢更可以買一台F18戰機，相當地貴重。
最後的環節則是光阻顯影，將照射完紫外光的晶圓放進充滿顯影液的槽裡，使用正光阻的話，顯影液會把照到紫外光的區域給吃掉，留下與光罩圖案相同的圖形。若是使用負光阻則會相反，照到紫外光的區域會留下來，其餘範圍則會被吃掉。而傳統上，大多使用正光阻，其表現會比負光阻還來得優異。
線寬的重要性：
台灣的台積電目前在3奈米領先其他的競爭對手，成為了晶圓代工的龍頭，而3奈米製程是指在晶片中，線最小可以做到3奈米的尺寸，以場效應電晶體為例，可以藉由縮小閘極長度，來縮小電晶體尺寸，電流可以用更短的路徑從汲極到源極。然而為何越微小的線寬越難做呢，因為當光罩圖案越來越小且接近波長時，所能擷取的光階就越少，光罩的圖案將無法忠實完整呈現在晶片上。所以可以得知，要在半導體製程上表現出色是多麼地不容易，不僅要克服線寬縮小的挑戰，還要在上百道製程中做到近乎完美。
不過上述的黃光製程，其實只是屬於晶圓代工中的一小部分。台灣是全球晶圓代工重鎮，身為台灣人不可不知，從一開始的半導體到電晶體，最後到晶圓跟黃光製程，希望能讓大家更加認識這領域。
