晶片設計、製造過程及行業淺析

一、 基本概念

1. 晶片

晶片，又稱微電路（microcircuit）、微晶片（microchip）、集成電路（英語：integrated circuit, IC）。

是指內含集成電路的矽片，體積很小，常常是計算機或其他電子設備的一部分。

晶片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經過設計、製造、封裝、測試後的結果，通常是一個可以立即使用的獨立的整體。

「晶片」和「集成電路」這兩個詞經常混著使用，比如在大家平常討論話題中，集成電路設計和晶片設計說的是一個意思，晶片行業、集成電路行業、IC行業往往也是一個意思。

實際上，這兩個詞有聯繫，也有區別。

集成電路實體往往要以晶片的形式存在，因為狹義的集成電路，是強調電路本身，比如簡單到只有五個元件連接在一起形成的相移振蕩器，當它還在圖紙上呈現的時候，也可以叫它集成電路，當我們要拿這個小集成電路來應用的時候，那它必須以獨立的一塊實物，或者嵌入到更大的集成電路中，依託晶片來發揮他的作用；集成電路更著重電路的設計和布局布線，晶片更強調電路的集成、生產和封裝。

2. IP核

IP就是智慧財產權核或智慧財產權模塊的意思，在EDA技術開發中具有十分重要的地位。

美國著名的Dataquest諮詢公司將半導體產業的IP定義為「用於ASIC或FPGA中的預先設計好的電路功能模塊」。

IP主要分為軟IP、固IP和硬IP。

軟IP是用Verilog/VHDL等硬體描述語言描述的功能塊，但是並不涉及用什麼具體電路元件實現這些功能。

固IP是完成了綜合的功能塊。

硬IP提供設計的最終階段產品--掩膜。

IP（智慧財產權）核將一些在數字電路中常用，但比較複雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設計成可修改參數的模塊。

隨著CPLD/FPGA的規模越來越大，設計越來越複雜（IC的複雜度以每年55%的速率遞增，而設計能力每年僅提高21%），設計者的主要任務是在規定的時間周期內完成複雜的設計。

調用IP核能避免重複勞動，大大減輕工程師的負擔，因此使用IP核是一個發展趨勢，IP核的重用大大縮短了產品上市時間。

3. 流片

流片：英文 Tape Out。

像流水線一樣通過一系列工藝步驟製造晶片，這就是流片。

在集成電路設計領域，「流片」指的是「試生產」，就是說設計完電路以後，先生產幾片幾十片，供測試用。

如果測試通過，就照著這個樣子開始大規模生產了。

二、 製作流程

晶片製造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的晶片製造流程後，就可產出必要的 IC 晶片。

半導體產業最上游是IC設計公司與矽晶圓製造公司，IC設公司計依客戶的需求設計出電路圖，矽晶圓製造公司則以多晶矽為原料製造出矽晶圓。

中游的IC製造公司主要的任務就是把IC設計公司設計好的電路圖移植到矽晶圓製造公司製造好的晶圓上。

完成後的晶圓再送往下游的IC封測廠實施封裝與測試。

1. 矽晶圓製造

晶圓是指矽半導體集成電路製作所用的矽晶片，由於其形狀為圓形，故稱為晶圓，晶圓是製造半導體晶片的基本材料，半導體集成電路最主要的原料是矽，因此對應的就是矽晶圓。

在矽晶片上可加工製作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能之IC產品。

晶圓的原始材料是矽，而地殼表面有用之不竭的二氧化矽。

二氧化矽礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，並經蒸餾後，製成了高純度的多晶矽，其純度高達99.999999999%。

矽在自然界中以矽酸鹽或二氧化矽的形式廣泛存在於岩石、砂礫中，矽晶圓的製造可以歸納為三個基本步驟：矽提煉及提純、單晶矽生長、晶圓成型。

首先是矽提純，將沙石原料放入一個溫度約為2000 ℃，並且有碳源存在的電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中的二氧化矽進行化學反應（碳與氧結合，剩下矽），得到純度約為98%的純矽，又稱作冶金級矽，這對微電子器件來說不夠純，因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感，因此對冶金級矽進行進一步提純：將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫進行氯化反應，生成液態的矽烷，然後通過蒸餾和化學還原工藝，得到了高純度的多晶矽，其純度高達99.999999999%，成為電子級矽。

晶圓製造廠把這些多晶矽融解，再在融液里種入籽晶，然後將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶矽晶棒，由於矽晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的矽原料中逐漸生成，此過程稱為「長晶」。

矽晶棒再經過切段，滾磨，切片，倒角，拋光，雷射刻，包裝後，即成為集成電路工廠的基本原料——矽晶圓片，這就是「晶圓」。

2. IC設計

在 IC 生產流程中，IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC 晶片，提供不同規格、效能的晶片給下游廠商選擇。

因為 IC 是由各廠自行設計，所以 IC 設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。

簡單來講，IC設計可分成幾個步驟，依序為：規格制定 → 邏輯設計 → 電路布局 → 布局後模擬 → 光罩製作。

1) 規格制定：

在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定。

這個步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什麼建築法規需要遵守，在確定好所有的功能之後在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改。

IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的晶片不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。

接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的晶片就需要符合 IEEE 802.11 等規範，否則，晶片將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。

最後則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，並確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定。

設計完規格後，接著就是設計晶片的細節了。

這個步驟就像初步記下建築的規劃，將整體輪廓描繪出來，方便後續製圖。

在 IC 晶片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。

常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。

接著就是檢查程式功能的正確性並持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

2) 邏輯設計：

有了完整規化後，接下來便是畫出平面的設計藍圖。

在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。

之後，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格並修改，直到功能正確為止。

3) 電路布局：

將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。

在經過不斷的檢測後，便會形成如下的電路圖。

圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。

▲ 常用的演算晶片- FFT 晶片，完成電路布局與繞線的結果。

4) 布局後模擬：

即再經由軟體測試，結果是否與當初規格制定一樣。

5) 光罩製作：

層層光罩，疊起一顆晶片。

首先，目前已經知道一顆 IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。

下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結合，形成 CMOS。

下圖中，左邊就是經過電路布局與繞線後形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。

右邊則是將每張光罩攤開的樣子。

製作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 晶片的製造中所提的方法，逐層製作，最後便會產生期望的晶片了。

IC 設計廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。

3. IC製造

IC製造的流程較複雜，但其實IC製造就只做一件事而已：把光罩上的電路圖轉移到晶圓上，它的過程其實和傳統相片的製造過程非常類似。

製作 IC 時，可以簡單分成以上 5種步驟。

雖然實際製造時，製造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆採用類似的原理。

IC製造的步驟：薄膜→光阻→顯影→蝕刻→光阻去除，然後不斷的循環數十次。

示意圖如下：

以下將介紹各流程：

薄膜：鍍上金屬(實際上不一定是金屬)；

光阻：在晶圓上塗上一層光阻(感光層)；

顯影：用強光透過「光罩」後照在晶圓上；

蝕刻：把沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕。

光阻去除：把上面的光阻去除，留下的薄膜部分就是電路圖！

光罩是由好幾十層構成的，而每層需要的材質也不一樣。

也就是說，薄膜那一層需用不同的材質。

4. IC封測

IC製造廠商完成的IC大致如下圖：

晶圓完成品被送往IC封測廠，實行IC的封裝與測試。

封裝的流程大致如下：切割→粘貼→焊接→模封。

切割：把IC製造公司送來的一片片晶圓切割成一顆顆長方形的IC；

粘貼：把IC黏貼到PCB上；

焊接：把IC的小接腳焊接到PCB上，這樣才和PCB(如主機板)相容；

模封：把接腳模封起來。

三、 應用領域

晶片產品的下游應用非常廣泛，主要市場在智能終端、電腦、消費電子、工業、汽車、軍事、醫療等領域。

根據IC Insights的預估，2016年全球晶片行業下游市場大致分為通訊（含手機）、計算機、消費電子、汽車、工業/醫療、政府/軍事等領域，其中最主要的市場是通訊和計算機領域，二者占比達到74%。

其次是消費電子、汽車和工業領域。

在過去10年，智能終端的普及是晶片行業規模成長的最重要動力，隨著智慧型手機增速放緩，其帶動效應減弱。

IC Insights的研究顯示，手機和個人電腦是晶片產品的兩個最大市場，2016年市場規模分別為866億和635億美元，占比分別達到25.5%和18.7%。

圖：2016年全球晶片產品的下游應用占比（單位：%）

數據來源：前瞻產業研究院整理

四、 發展歷程及預期

1. 發展歷程

英特爾公司的聯合創始人之一戈登-摩爾也在集成電路的早期發展進程中扮演著重要的角色。

早在1965年，摩爾就曾對集成電路的未來作出預測。

他推算，到1975年每塊晶片上集成的電子組件數量將達到65000個。

而實際上，每過12個月晶片上集成的電子組件數量都會翻一番。

這就是現在所了解的計算機「摩爾定律」。

如今，晶片製造商（如英特爾、AMD等公司）生產的晶片上所集成的電晶體數量已達到了空前的水平，而且每個電晶體的體積變得非常微小。

比如，一個針尖上可以容納3000萬個45毫微米大小的電晶體。

此外，現在的處理器上單個電晶體的價格僅僅是1968年電晶體價格的百萬分之一。

日本經濟學家赤松要1956年提出產業發展的「雁型模式」，描述產業的產生、發展的動態傳導過程。

在過去的近半個世紀，世界晶片行業經歷了兩次產業轉移：第一次在20世紀70年代末，從美國轉移到了日本，造就了富士通、日立、東芝、NEC等世界頂級的晶片製造商；第二次在20世紀80年代末，韓國與我國台灣成為晶片行業的主力，繼美國、日本之後，韓國成為世界第三個半導體產業中心。

根據前瞻產業研究院發布的《2017-2022年中國晶片行業市場需求與投資規劃分析報告》數據顯示，2010-2016年全球晶片市場規模呈波動變化趨勢，2014年達到近年來最高值3403億美元，較2013年增長7.89%。

2016年上半年開局疲軟，但是得益於2016年下半年定價的改善以及強勁需求，2016年全球晶片銷售額達到3435億美元，較2015年的3349億美元增長2.6%。

受動態隨機存取存儲器（DRAM）晶片與NAND快閃記憶體晶片市場需求強勁的促進，2017年全球晶片市場的總銷售額預計將同比增長16%，將是IC市場自2010年經濟衰退年(全球晶片銷售額)增長33%後的首次兩位數增長，也是自2000年以來IC市場的第五次兩位數增長。

圖：2010-2017年全球晶片銷售額及預測（單位：億美元，%）

數據來源：前瞻產業研究院整

2. 發展預期

2018年半導體超級周期持續，中泰證券2017年3月份提出的全球半導體超級周期體系：「矽片剪刀差」+「第四次矽含量提升」得到充分驗證，並在持續加強，全球產業進展超過我們預期，基於人工智慧、汽車電子、物聯網、工業控制、5G通信等創新持續，從全球龍頭近期財報及展望來看，還將持續。

全球超級周期持續，矽片剪刀差+「第四次矽含量提升」！矽片剪刀差是本輪半導體晶片景氣周期核心驅動因素，愈演愈烈，缺口到2020年！中泰證券自2017年3月份開始提出矽片剪刀差邏輯，半年後獲得整個產業鏈認可。

從目前來看剪刀差將愈演愈大，矽片大廠sumco等2018年報價提高，且2019年還會繼續漲價；第三大廠環球晶2019年產能被包完，2020年產能已有大單，剪刀差至少持續至2020年。

矽片漲價最先傳導到前端製造環節，再依次傳導到後端製造的封裝和測試環節，看好存儲器、晶圓前端製造、易耗品，以存儲器為代表的通用型晶片將成為最受益品種。

2017-2022年，全球半導體第四次矽含量提升。

從工業、網際網路、移動網際網路延伸到泛物聯網，此次創新以AI引領的高性能運算、物聯網、汽車電子、5G通訊等新型需求。

這一輪提升周期中，數據是核心，存儲器是主要抓手。

五、 我國政策支持

1. 政府工作報告強調，稅收減免接踵而至

3月5日上午，國務院總理李克強在《政府工作報告》論述我國實體經濟發展中，指出「推動集成電路、第五代移動通信、飛機發動機、新能源汽車、新材料等產業發展」，把推動集成電路產業發展放在實體經濟發展的首位強調。

3月30日財政部、稅務總局等發布《關於集成電路生產企業有關企業所得稅政策問題的通知》，對符合相關條件的企業給予稅收減免優惠。

具體而言，分為兩個時間段：2018年1月1日後投資成立的：1）集成電路線寬小於65納米或投資額超過150億元，且經營期在15年以上的集成電路生產企業或項目，1-5年免稅，6-10年稅率減半，2）集成電路線寬小於130納米，且經營期在10年以上的集成電路生產企業或項目，1-2年免稅，3-5年稅率減半；2017年12月31日前設立但未獲利：1）集成電路線寬小於0.25微米或投資額超過80億元，且經營期在15年以上的集成電路生產企業，獲利期起1-5年免稅，6-10年稅率減半，2）集成電路線寬小於0.8微米（含）的集成電路生產企業，獲利期起1-2年免稅，3-5年稅率減半。

政府工作報告與稅收優惠接踵而至，反映集成電路在國家層面的支持毋容置疑，一方面晶片國產化在國家戰略地位意義非凡；另一方面，集成電路也是國家高新技術的集中體現。

2. 持續助力晶片國產化，二期大基金在途

根據《國家集成電路產業發展推進綱要》的目標：到2020年收入超過8700億元，實現16/14納米量產，關鍵領域技術達到世界領先水平，材料和設備進入全球供應鏈。

政策方面，2000-2010年，以稅收優惠為主，僅限IC設計與製造；2011-2013強調技術研發，並擴大到集成電路全產業鏈；2014-至今，成立大基金，重點支持企業投資併購（目前規模約為1387億元，投資主要在：製造67%、設計17%、封測8%、設備4%和材料4%），預計第二期即將出台，規模超過千億元。

根據中國半導體行業協會統計，2017年中國集成電路產業銷售額達到5411.3億元，同比增長24.8%。

其中，設計、製造和封測占比分別為38%、27%和35%。

在政策、資金及國產化替代需求下，國內IC產業預計繼續保持20%左右的年增長速度，而AI、5G等物聯網產業預計2018年開始步入成長期，以及雙攝、AMOLED、語音/人臉識別的應用放量，帶動上游AP、Nor、MCU等需求提升。

作為現代信息產業的基礎和核心產業之一，外加國家意志力的推動，國內集成電路的發展也將步入新的階段。

六、 產業鏈公司

1. 晶片產業鏈概述

可分為核心產業鏈與支撐產業鏈，核心產業鏈完成晶片產品的設計、製造和封裝測試，支撐產業鏈提供設計環節所需的軟體、IP以及製造封測環節所需的材料、設備。

2. 國內晶片產業鏈上市公司

設計： 兆易創新（停牌）、景嘉微、紫光國芯、華燦光電、北京君正、中科曙光、中穎電子、富瀚微、聖邦股份；

製造：三安光電、士蘭微（IDM）；中芯國際（港股）、華虹半導體（港股）；

設備：北方華創、至純科技、晶盛機電、長川科技、精測電子；

材料：晶瑞股份、鼎龍股份、江豐電子、南大光電、江化微；

封測：長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技；