晶圓代工爭霸戰四部曲(了解各晶圓廠的前世今生,非常詳細!)

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本文來自:lynn1205的博客(台), 由EETOP在5月份首發,後被多家媒體轉載,沒有寫明作者和和出處,特此譴責!

本文選自台灣作者lynn1205的科技博客,共分為四個部分:

  1. 晶圓代工爭霸戰 第一篇:半導體知識(前傳)

  2. 晶圓代工爭霸戰 第二篇:台積電 VS 聯電

  3. 晶圓代工爭霸戰 第三篇: 台積電VS三星

  4. 晶圓代工爭霸戰 第四篇: 英特爾VS格羅方德VS中芯

晶圓代工爭霸戰 第一篇:

半導體知識(前傳)

(這一部分為基礎知識,可以跳過)

現代科技不斷革新,網路平台與雲端運算背後,仰賴著上千台電腦伺服器相互連結;智慧型手機除了能登錄網頁與多樣化的應用程式,未來更能支援擴增實境 (AR)、3D影像、支付等功能;除此之外還有感測元件、智慧家庭、穿戴式裝置、自動車…。

從電子商務、金融到醫療、法務,所有產業正面臨著大規模的劇變。

科技的浪潮提供更便利的社會,為人類生活帶來了無限的可能;支撐這一切發展的基石,就是「半導體」。

在全球經濟體中,半導體相關產業每年帶來的經濟效益約是 7 兆美元;而在2012年,台灣半導體總產值突破 2 兆台幣,躍居世界第 2 位、成為最大的產業群,就業人次高達18萬。

時常在報章雜誌上聽到半導體、晶圓、IC、納米製程等名詞,卻又不甚了解意思?作為現代人,甚至作為台灣人,不可不知半導體。

(按曰:十萬青年十萬肝,GG輪班救台灣)

本系列的 IC 產業地圖,將以半導體相關知識作為系列首篇,介紹「晶圓代工」相關名詞與各國間產業現況。

並討論各大廠間的競合關係。

本系列的 IC 產業地圖,將以半導體相關知識作為系列首篇,介紹「晶圓代工」相關名詞與各國間產業現況。

並討論各大廠間的競合關係。

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,包括矽、鍺。

利用半導體製作電子元件的目的在於:不像導體絕對導電、絕緣體完全不導電;藉由注入雜質,可以精準地調整半導體的導電性。

由於矽擁有較大的能隙、可以有較大雜質摻雜範圍,所以可以被利用來製作重要的半導體電子元件電晶體 (Transistor)。

由於發明了電晶體,這個年代成為人類科技文明進步最快的年代,電子技術與電腦工業才開始了長足的發展,堪稱二十世紀最偉大的發明之一。

發明電晶體的蕭克利 (Shockley)、巴丁 (Bardeen) 與布拉頓 (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立蕭克利半導體實驗室 (Shockley Semiconductor Lab),帶動美國矽谷 (Silicon Valley) 的蓬勃發展,矽谷一名稱系由半導體原料矽而來。

講到矽谷的發展成因與歷史,絕對不能不提蕭克利半導體實驗室的影響。

一個天才的創業會引來眾多天才的投奔,因此當時一堆優秀人才趨之若鶩地跑到蕭克利的實驗室來;但後來因蕭克利暴躁又疑神疑鬼的性格,又紛紛辭職離去,被蕭克利怒稱為「八叛徒」(The Traitorous Eight)。

八位叛徒中,包括了諾伊斯 (Noyce)、摩爾 (Moore,就是摩爾定律的那個摩爾!) 等人,他們隨後成立了快捷半導體 (Fairchild Semiconductor),成為了第一家將矽電晶體商業化的公司。

這家公司最重要不是它的產品、而是影響力——快捷可說是矽穀人才的搖籃,創始人和員工出來開的公司和投資的公司在灣區超過 130家上市企業,裡面包括了 Intel、AMD 等公司,市值達 21 萬億美元。

對矽谷乃至當今時代的科技發展都有著不可或缺的影響和作用。

好啦此為後話不提,讓我們回來看看矽谷發展一切的源頭——電晶體到底是什麼。

電晶體的主要功能有兩個:「放大信號」與「開關」。

電晶體就像是數位訊號的「收音機」──收音機的原理是將微弱的訊號放大、用喇叭發聲出來,電晶體能將訊號的電流放大;而數位訊號是由0與1組成,1代表著電流「開」、0代表著電流「關」,電晶體以每秒超過 1千億次的開關來運作,讓電流以特定方式通過。

這邊讓我們來簡單談談電晶體的運作原理。

電晶體由矽組成,而矽是 4 顆電子。

在矽半導體中加入元素磷,具有 5 顆電子、比矽多一顆電子(-)變成 N 型電晶體 (Negative)。

另外加入元素硼,具有 3 顆電子、 比矽少一顆電子(-)變成 P 型電晶體 (Positive) 。

電晶體兩端可以通電,稱為「源極」和「汲極」。

由於P型和N型分別多了電子和少了電子,所以電晶體在 N 型和 P 型接起來的狀態下電子不會流通,此時電流開關為「關」。

為了達到開關的效果,我們使用第三個電極「閘極」(Gate) 取代機械按鈕開關;閘極間以氧化層和半導體隔絕。

若我們在閘極上方施以正電電壓,讓 N 型多出來的電子能夠重新流通、並從源極流到汲極,此時電流開關為「開」。

上述即為半導體元件電晶體如何藉由加入雜質(磷、硼)來控制導電性、進而控制電流開關的原理。

但是這數億個電晶體在哪裡呢?你可能正在心想:「我手機有大到能放進數億個電晶體?」

答案是:電晶體是納米等級,比人體細胞還要小。

三星以及台積電在先進半導體製程的 14 納米與 16 納米之爭,14 納米指的就是電晶體電流通道的寬度。

寬度越窄、耗電量越低;然而原子的大小約為 0.1 納米,14 納米的通道僅能供一百多顆原子通過。

故製作過程中只要有一顆原子缺陷、或者出現一絲雜質,就會影響產品的良率。

對於半導體大廠而言,製程是技術,但良率才是其中的關鍵Know-how。

一般能將良率維持在八成左右已經是非常困難的事情了,台積電與聯電的製程良率可以達到九成五以上,可見台灣晶圓代工的技術水平。

事實上,這數億個電晶體,全部都塞在一個長寬約半公分、指甲大小的晶片上。

這片晶片包含電晶體等電子元件,就叫做「集成電路」(Integrated Circuit, IC),俗稱IC。

所謂的大規模集成電路 (LSI, Large Scale Integration) 代表的不是這個電路板很大,而是上面約一萬個電晶體;超大規模集成電路 (VLSI, Very Large Scale Integration) 則約有十萬個電晶體。

集成電路是怎麼製作出來的呢?

在集成電路出現之前,工業界必須各自生產電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件,再把所有元件連接起來做成電路,不但複雜又耗時費工。

故若能直接依照設計圖做出一整個電路板,將能更加精確、速度更快且成本更低。

德州儀器公司的基爾比 (Jack St. Clair Kilby) 是第一個想到要把元件放到晶片上集體化的發明人,在1958年他試驗成功,開闢了一個嶄新的電腦技術時代,甚至很多學者認為由集成電路所帶來的數位革命是人類歷史中最重要的事件。

基爾比也因此於2000年獲得諾貝爾物理獎。

集成電路的製作過程分為以下步驟。

一. 建築設計: IC設計 (CIRCUIT DESIGN)

如同在蓋房子之前,建築設計師必須畫出設計圖,規劃房間分布、使用材料;在製作半導體晶片時,工程師會畫出電路圖 (Circuit Diagram),規劃一個晶片上應該要具備的功能 (包括算術邏輯、記憶功能、 浮點運算、 數據傳輸)、各個功能分布在晶片上的區域,與製作所需的電子元件。

接下來,工程師會使用硬體描述語言 (HDL) 將電路圖描寫出來。

待確認無誤後再將 HDL 程式碼放入電子設計自動化工具 (EDA tool),讓電腦將程式碼轉換成電路圖。

二. 建築地基: 晶圓製造 (WAFER FOUNDRY)

設計師設計完房子後,就需要將電路設計圖交由建築工人將房子蓋出來。

蓋房子需要地基,製作晶片也要,安置所有電子元件的基板就是「晶圓」(Wafer)。

首先,晶圓製造廠會將矽純化、溶解成液態,再從中拉出柱狀的矽晶柱,上面有一格一格的矽晶格,後續可供電晶體安置上去。

也由於矽晶格的排列是安裝電子元件的關鍵,「拉晶」的步驟非常重要──晶柱的製作過程就像是在做棉花糖一樣,一邊旋轉一邊成型,旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質。

接下來,晶圓廠會用鑽石刀像切火腿一般,將一整條的晶柱切成一片片的薄片,再經過拋光後,就變成了「晶圓」(Wafer),也就是晶片的基板;晶圓上面的晶格可供電晶體置入。

晶圓(Wafer)上面的晶格可供電晶體置入。

常聽到的8吋、12吋晶圓廠,代表的就是矽晶柱切成薄片後的晶圓直徑,而整塊晶圓可以再被切成一片片的裸晶 (Die);裸晶經過封裝後,才被稱為晶片 (Chip)、或稱 IC。

晶圓的尺寸,可以決定後續裁切製作出來的晶片有多少數量。

附註: AnySillicon網站上提供的計算機(Die Per Wafer Calculator)可供計算一塊晶圓上能切出多少裸晶。

如直徑8吋的晶圓片使用2.0微米的製程,可以切出588顆64M的DRAM (記憶體);至於12吋的晶圓,可以切出的成品又更多。

然而如先前所述,矽純度、拉晶速度與溫度控制都是晶柱品質的關鍵,越粗的矽晶柱越難拉出好品質,故尺寸越大、技術難度就越高,12吋晶圓廠也就比8吋晶圓廠的製程更先進。

另外,雜質對這些完美無缺的矽晶格構成很大的威脅(想想看:電晶體比人體細胞還小,稍有一絲雜質變足以毀壞整個矽晶格了),因此製造人員進入無塵室前,都必須事先清洗身體、穿戴防塵衣、全副武裝採取預防措施。

晶圓製造環境更比手術室乾淨十萬倍。

晶圓會在無塵的狀態下送到無塵室並分裝到密封的容器中,進行隨後的生產步驟。

三. 建築成形: 光罩製作 (光蝕刻與微影成像)

我們在先前提到,集成電路 (IC) 跨時代的意義在於,工業界不用各自生產電子件再組建起來,可以一口氣將電路板依據電路圖生產出來。

這是怎麼做到的呢?

答案是:光學攝影技術。

一大張的電路設計圖,要縮小並壓印到矽晶圓(基板),靠的就是光學原理。

首先光罩廠會將IC設計圖形第一次縮小,以電子束刻在石英片上,成為光罩。

光罩

由於電子束的寬度是1微米,所以光罩上依據設計圖所刻出的半導體迴路也是1微米寬。

接下來光罩廠會將完成的光罩送進晶圓廠。

晶片製造,也就是將光罩上刻的設計圖、第二度縮小至晶圓上。

與底片洗出相片的原理一樣,「光罩」就是照相底片、「晶圓」就是相片紙。

晶圓上面會事先塗上一層光阻 (相片感光材料),透過紫外光的照射與凸透鏡聚光效果、會將光罩上的電路結構縮小並烙印在晶圓上,最後印在晶圓上的半導體迴路會從光罩的 1 微米、變為 0.1 微米。

陰影以外的部分會被紫外光破壞,隨後能被沖洗液洗掉。

藉由光蝕刻與微影成像,晶圓廠成功將設計圖轉印到微小的晶圓基板上。

如同底片品質會影響照片成像的好壞,光罩上圖形的細緻度是晶片品質的關鍵。

光刻製程結束後,工程師會在晶圓上繼續加入離子。

透過注入雜質到矽的結構中控制導電性,與一連串的物理過程,製造出電晶體。

其過程相當複雜,甚至需要像兩個足球場大的無塵室。

待晶圓上的電晶體、二極體等電子元件製作完成後,工程師會將銅倒入溝槽中形成精細的接線,將許多電晶體連結起來。

在指甲大的空間裡,數公里長的導線連接了數億個電晶體,製作成大型集成電路。

至此,偉大的建築就完成了。

四. 成品包裝: 封裝與測試

晶圓完成後被送到封裝廠,會切割成一片片的「裸晶」,如先前圖所示。

由於裸晶小而薄、非常容易刮傷,故封裝廠會將裸晶安裝在導線架上、在外面封裝上絕緣的塑膠體或陶瓷外殼,剪下來印上委託製造公司的標誌。

最後進行測試,進行晶片結構及功能的確認、將不良品挑出,一顆晶片就大功告成了!

半導體大廠有哪些?

1960年代集成電路的發明,讓許多的半導體元件可以一次放在一塊晶片上。

隨著半導體的縮小,IC上可容納的電晶體數目,約每隔兩年便會增加一倍、性能每18個月能提升一倍 。

從1960年代不到10個,1980年代增加到10萬個、1990年代增加到1000萬個。

這個現象由英特爾的名譽董事長摩爾所提出,稱為摩爾定律 (Moore’s Law)。

如今,集成電路上的元件高達數億至數十億個。

早期,半導體公司多是從IC設計、製造、封裝、測試到銷售都一手包辦的整合元件製造商(Integrated Device Manufacturer, 俗稱IDM),如英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、東芝 (Toshiba),以及國內的華邦、旺宏。

然而,由於摩爾定律的關係,半導體晶片的設計和製作越來越複雜、花費越來越高,單獨一家半導體公司往往無法負擔從上游到下游的高額研發與製作費用,因此到了1980年代末期,半導體產業逐漸走向專業分工的模式──有些公司專門設計、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試。

其中的重要里程碑莫過於1987年台積電 (TSMC) 的成立。

由於一家公司只做設計、製程交給其他公司,容易令人擔心機密外洩的問題 (比如若高通和聯發科兩家彼此競爭的IC設計廠商若同時請台積電晶圓代工,等於台積電知道了兩家的秘密),故一開始台積電並不被市場看好。

然而,台積電本身沒有出售晶片、純粹做晶圓代工,更能替各家晶片商設立特殊的生產線,並嚴格保有客戶隱私,成功證明了專做晶圓代工是有利可圖的。

如今台積電是全球排名第一的晶圓代工公司。

知名廠商亦包括全球排名第二的聯電 (UMC)、格羅方德 (GlobalFoundries)、中芯 (SMIC)。

由於IC設計公司只設計和銷售晶片,但將製造、封裝、測試外包給第三方、以專心投入資金與人力研發,故被稱為無廠半導體 (Fabless Semiconductor Company),包括高通 (Qualcomm)、博通 (Broadcom)、聯發科 (MediaTek),與中國紫光集團下的展訊 (SpreadTrum)。

最後,台灣半導體封裝大廠日月光(ASE)排名全世界第一,全球市占近20%。

排名第二為美商艾克爾(Amkor)、第三亦為台灣廠商矽品(SPIL)。

半導體產業在近數十年來的發展速度不只驚人,許多重大的創新也支持了眾多其他產業也、產生了極大的影響,可以說是數位時代之母。

毫無疑問地,在未來,半導體的應用與產業規模,將會比今日來的更加廣泛且舉足輕重。

最後為大家輕鬆總結一下我們這篇已經提到的知識,同時看看還有哪些知識雖然在本篇文章中沒有提到、但同樣很重要的,預告一下會在下篇出現:

「 IC」的中文叫「集成電路」,在電子學中是一種把電路(包括半導體裝置、元件)小型化、並製造在半導體晶圓表面上。

所以半導體只是製作「IC」的原料。

因為是將電路縮小化,你也可以叫它「微電路 (microcircuit)」、「微晶片 (microchip)」、「晶片 (chip)」。

也就是說,台灣媒體常稱的半導體產業鏈,正確一點來說應該叫「IC設計」、「IC製造」、「IC封裝」!

因為在 IC 設計和封裝的環節都不會碰到半導體啊啊~半導體只是原料,重點是那顆 IC!IC設計的廠商有發哥 (MTK) 和高通、封裝則有日月光和矽品。

而我們從頭到尾在介紹的「半導體大廠」只有台積電 (TSMC) 等晶圓代工廠在做的事,包括如何把電路縮小化、和晶圓代工的製程。

好啦,晶圓代工的製程就總結到這裡。

從下一篇開始,我們要從產業鏈往上回溯來解答這幾個問題,看看 IC 晶片的用途、又是怎麼設計來的。

晶圓代工爭霸戰 第二篇:

台積電 VS 聯電

2016 年 10 月, 晶圓代工廠台積電董事長張忠謀談及 Intel 跨足晶圓代工領域,談及此舉是把腳伸到池裡試水溫,並表示:「相信英特爾會發現,水是很冰冷的。

」全球晶圓代工在 2015 年的產值高達488.91 億美元,更是台灣科技業與金融業維生的命脈。

Intel和台積電之對決將孰贏孰敗? 更別提一旁虎視眈眈地三星,這場戰爭在多年以前早已悄悄開打。

今天就讓我們來談談各家巨頭的愛恨糾葛。

霸主—台積電

台積電 (TSMC)

  • 特色:砸大錢、高額資本支出,自己建廠自己研發,拼先進位程。

  • 擁有最高的良率與龐大產能優勢,成熟製程達16納米。

全球第一家、也是全球最大的晶圓代工企業,晶圓代工市佔率高達 54%。

2015 年資本額約新台幣2,593.0 億元,市值約 1,536 億美金 (2016/9)、約五兆新台幣。

另一方面,台積電在2016年度的資本支出高達 95 億至 105 億美元(約新台幣 3,050 億至 3,380 億元),已超越 Intel。

製程方面採取穩進路線,從28 納米、20 納米,到 2015 年 Q2 成熟製程(能大量生產、且在效能與良率上都穩定)達 16 納米。

先進位程 10 納米預計在 2017 年第 1 季量產。

其更於 2016 年 9 月底透露,除 5 納米製程目前正積極規劃之外,更先進的 3 納米製程目前也已組織了 300 到 400 人的研發團隊。

在製程上,若莫爾定律成立,則未來的製程突破將會有限,台積電預計將採取持續投入先進位程研發,但也著力於成熟製程特規化上的雙重策略,以維持其晶圓代工的龍頭地位。

挑戰者NO.1—台積電與聯電的歷史情仇

聯華電子

  • 撿台積電剩下的客戶,如:小IC設計公司的單,特點在於量不大、但可客制化。

  • 專注於成熟製程28納米。

僅次於台積電、全球第二大晶圓代工廠。

然 2015 年已被格羅方德以 9.6% 的市占超過、以 9.3% 的市佔率成為老三。

事實上代工產業只有龍頭一枝獨秀,景氣不佳時僅台積電始終維持獲利,其餘 2、3、4名皆是一團混戰。

聯電創立於 1980 年,也是台灣第一家上市的半導體公司,早年一直是晶圓代工領域的領導者。

什麼原因導致聯電與台積電曾並稱晶圓雙雄,到如今無論股價、營收與獲利都拼不過台積電在晶圓代工的地位呢?這就要說說台積電董事長張忠謀與聯電榮譽董事長曹興誠二王相爭的故事了。

張忠謀於 1949 年赴美留學,分別拿到美國麻省理工學院機械工程系學士、碩士,因為申請博士失敗,畢業後只好先進入德州儀器 (TI) 工作,當時的張忠謀 27 歲。

彼時德儀正替 IBM 生產四個電晶體,IBM提供設計、德儀代工,可以說是晶圓代工的雛形。

張忠謀帶領幾個工程師,成功把德儀的良率從 2%-3% 成功提升至 20% 以上、甚至超過 IBM 的自有產線。

張忠謀在德儀待了 25 年,直到 1983 年確定不再有升遷機會,1985 年應經濟部長孫運璿之邀、回台擔任工研院院長,當時的張忠謀已經54歲了。

相較於張忠謀的洋學歷與外商經歷,曹興誠由台大電機系學士、交大管科所碩士畢業後進入工研院。

工研院於 1980 年出資成立聯電後,於 1981 年起轉任聯電副總經理、隔年轉任總經理。

讓我們再看一次──聯電是創立於 1980 年,曹興誠 1981 年任副總經理、張忠謀於 1985 年以工研院院長身分兼任聯電董事長。

1986 年、張忠謀創辦了台積電,並身兼工研院、聯電與台積電董事長三重身分。

相較於以整合元件設計 (IDM) 為主、開發自家處理器與記憶體產品的聯電,台積電專攻晶圓代工。

這在當時完全是一個創舉、更沒人看好,一般認為 IC 設計公司不可能將晶片交由外人生產、有機密外洩之虞,況且晶圓代工所創造的附加價值比起販售晶片還低得多。

然而建立晶圓廠的資本支出非常昂貴,若將晶片的設計和製造分開,使得 IC 設計公司能將精力和成本集中在電路設計和銷售上,而專門從事晶圓代工的公司則可以同時為多家 IC 設計公司提供服務,儘可能提高其生產線的利用率、並將資本與營運投注在昂貴的晶圓廠。

台積電的成功,也促使無廠半導體 (Fabless) 的興起。

不過這完全惹惱了曹興誠,他宣稱在張忠謀回台的前一年便已向張提出晶圓代工的想法,卻未獲回應,結果張忠謀在擔任聯電董事長的情況下,隔年竟手拿政府資源、拉上用自己私人關係談來的荷商飛利浦 (Philips) 合資另創一家晶圓代工公司去了。

當時曹興誠示威性地選在工研院與飛利浦簽約的前夕召開記者會、宣布聯電將擴建新廠以和台積電抗衡。

從那之後,曹興誠和張忠謀互斗的局面便無停止過,然而張忠謀亦始終擔任聯電董事長,直到1991年曹興誠才成功聯合其他董事以競業迴避為由,逼張忠謀辭去、並從總經理爬到董事長一職。

台積電隨後在晶圓代工上的成功,也成了聯電的借鑑。

1995 年聯電放棄經營自有品牌,轉型為純專業晶圓代工廠。

曹興誠的想法比張忠謀更為刁鑽──他想,若能與無廠 IC 設計公司合資開設晶圓代工廠,一來不愁沒有資金蓋造價昂貴的晶圓廠,二來了掌握客戶穩定的需求、能直接承接這幾家IC設計公司的單。

故曹興誠發展出所謂的「聯電模式」,與美國、加拿大等地的 11 家 IC 設計公司合資成立聯誠、 聯瑞、聯嘉晶圓代工公司。

然而此舉伴隨而來的技術外流風險, 大型IC設計廠開始不願意將晶片設計圖給予聯電代工,使得聯電的客戶群以大量的中小型IC設計廠為主。

1996 年,因為受到客戶質疑在晶圓代工廠內設立 IC 設計部門,會有懷疑盜用客戶設計的疑慮,聯電又將旗下的IC設計部門分出去成立公司,包括現在的聯發科技、聯詠科技、聯陽半導體、智原科技等公司。

再來是設備未統一化的問題──和不同公司合資的工廠設備必有些許差異,當一家工廠訂單爆量時,卻也難以轉單到其他工廠、浪費多餘產能。

相較之下,台積電用自己的資金自行建造工廠,不但讓國際大廠願意將先進位程交由台積電代工而不用擔心其商業機密被盜取、更能充分發揮產線產能。

不過真正讓曹興誠砸掉整個宏圖霸業、從此聯電再也追趕不上台積電的分水嶺,還在於 1997 年的一場大火,與 2000 年聯電與IBM的合作失敗。

我們在前述中提到,聯電的每個晶圓廠都是獨立的公司,「聯瑞」就是當時聯電的另一個新的八吋廠。

在建廠完後的兩年多後, 1997 年的八月開始試產,第二個月產就衝到了三萬多片。

該年 10 月,聯電總經理方以充滿企圖心的口吻表示:「聯電在兩年內一定幹掉台積電!」

不料兩日後,一把人為疏失的大火燒掉了聯瑞廠房。

火災不僅毀掉了百億廠房,也讓聯瑞原本可以為聯電賺到的二十億元營收泡湯,更錯失半導體景氣高峰期、訂單與客戶大幅流失,是歷史上台灣企業火災損失最嚴重的一次,也重創了產險業者、賠了 100 多億,才讓科技廠房與產險業者興起風險控制與預防的意識,此為後話不提。

在求新求快的半導體產業,只要晚別人一步將技術研發出來、就是晚一步量產將價格壓低,可以說時間就是競爭力。

在聯瑞被燒掉的那時刻,幾乎了確定聯電再也無法追上台積電。

2000年與IBM的合作,對聯電來說又是一次重擊,卻是台積電翻身的關鍵

隨著半導體元件越來越小、導線層數急遽增加,使金屬連線線寬縮小,導體連線系統中的電阻及電容所造成的電阻/電容時間延遲 (RC Time Delay),嚴重的影響了整體電路的操作速度。

要解決這個問題有二種方法──一是採用低電阻的銅當導線材料;從前的半導體製程採用鋁,銅的電阻比鋁還低三倍。

二是選用Low-K Dielectric (低介電質絕緣) 作為介電層之材料。

在製程上,電容與電阻決定了技術。

當時的IBM發表了銅製程與 Low-K 材料的 0.13 微米新技術,找上台積電和聯電兜售。

該時台灣半導體還沒有用銅製程的經驗,台積電回去考量後,決定回絕 IBM、自行研發銅製程技術;聯電則選擇向 IBM 買下技術合作開發。

然而IBM的技術強項只限於實驗室,在製造上良率過低、達不到量產。

到了 2003 年,台積電 0.13 微米自主製程技術驚艷亮相,客戶訂單營業額將近 55 億元,聯電則約為 15 億元。

再一次,兩者先進位程差異拉大,台積電一路躍升為晶圓代工的霸主,一家獨秀。

NVIDIA 執行長兼總裁黃仁勛說:「0.13 微米改造了台積電。

現在的聯電在最高端製程並未領先,策略上專注於 12 吋晶圓的 40 以下納米、尤其 28 納米,和 8 吋成熟製程。

除了電腦和手機外,如通訊和車用電子晶片,幾乎都採用成熟製程以控制良率、及提供完善的IC 給予客戶。

聯電積極利用策略性投資布局多樣晶片應用,例如網路通訊、影像顯示、PC 等領域,針對較小型 IC 設計業者提供多元化的解決方案,可是說是做到台積電不想做的利基市場。

台積電的 28 納米製程早在 2011 年第 4 季即導入量產。

反觀聯電 28 納米製程遲至 2014 年第 2 季才量產,足足落後台積電長達2年半時間。

在28納米的基礎上聯電仍得和台積電競爭客戶,故在 28 納米需求疲軟時台積電仍能受惠於先進位程、而聯電將面臨不景氣的困境。

近來競爭趨烈, 中芯也已在 2015 年下半量產 28 納米,故聯電計畫跳過20納米,原因在於20納米製程在半導體上有其物理侷限,可說是下一個節點的過渡製程,效果在於降低功耗,效能上突破不大,因此下一個決勝節點會是16/14納米製程。

聯電預計在 2017 年上半年開始商用生產14納米 FinFET 晶片,以趕上台積電與三星,然而在隨著製程越趨先進,所需投入的資本及研發難度越大,聯電無法累積足夠的自有資本,形成研發的正向循環,未來將以共同技術開發、授權及策略聯盟的方式來彌補技術上的缺口。

晶圓代工爭霸戰 第三篇 :

台積電VS三星

台積電和聯電拉開分水嶺的關鍵,在於 2000 那年聯電採信了 IBM… 等等!IBM 支持的 Gate-First 技術是哪裡不好?

Intel 說:安安,信我者得永生。

IBM 的 Gate-First 太爛,我擁護的 Gate-Last 才是真理!也讓後續台積電和三星紛紛從 Gate-First 轉向Gate-Last 技術後,彼此在 14 與 16 納米上繼續互搏。

很多台灣媒體都說三星的轉向,與台積電叛逃的技術戰將梁孟松很有關係… 真的是這樣嗎?

看完本篇文章,您將獲知:

  • 梁孟松是何許人也?

  • 什麼是HKMG?

  • IBM 的 Gate-First 與 Intel 的 Gate-Last 之爭孰優孰劣?

  • 台積電與三星從20納米、14/16納米、到10納米的打架過程?

挑戰者NO.2 台積電與三星的廝殺

三星 (SAMSUNG)

  • 晶圓業務早期以自用為主,然而產能若僅自己用會太小、故也接蘋果的單。

  • 製程飛越,直接從 28 納米跳過 20 納米,飛到現在的 14 納米。

由李秉喆創立的韓國三星集團是世界上最大的一家由家族控制的商業帝國,早期出口乾魚、蔬菜、水果到中國東北去。

1970 年代生產洗衣機、冰箱、電視機等家電, 1980 年代開始引進美國先進技術並和韓國半導體公司完成合併,家電、電信與半導體成為三星電子的核心業務。

三星的晶圓代工事業的發展之所以能成功,蘋果可以說是一股最主要的助力。

三星是動態隨機存取記憶體 (DRAM) 和快閃記憶體 (NAND) 的領導廠商,全球市占率達 15.5%。

故其始終掌握著 iPhone 的記憶體關鍵零組件,比如 iPhone 4 使用的快閃記憶體晶片來自三星、iPad顯示器也是由三星生產。

再加上三星的電子產品,使用的是自家生產的處理器 (如:Exynos獵戶座);為了獲得蘋果的資源發展晶圓產業、同時不讓自己的產能過剩 (若處理器僅用在三星自身產品上會有多餘產能),其晶圓代工幾乎是用成本價吃掉蘋果單、記憶體打包一起折扣賣,來幫自己的晶圓代工練兵。

從 iPhone 的第一代晶片開始,蘋果一直向三星採購 ARM 架構的晶片。

2010年蘋果自主研發的 A4 晶片被搭載在 iPad 上正式發表、隨後又搭載在 iPhone 4 中。

A4 處理器雖出自蘋果,三星自家發表的 S5PC100 處理器和 A4 晶片上採用的內核一模一樣,兩款晶片的電路設計上可以說是同一批人馬。

後續的 A5、A6、A7 也都是三星生產。

不過蘋果和三星在代工處理上的關係,直到三星在 Android 智慧型手機與蘋果的iOS開始起了摩擦。

2011 年蘋果正式起訴三星 Galaxy 系列產品抄襲 iPhone 和 iPad、三星又反起訴蘋果侵犯其 10 項技術專利,蘋果與三星的專利訴訟戰幾乎遍及全世界。

台積電之所以一直沒辦法獲得蘋果訂單,是由於台積電報價強硬,而蘋果迫使台積電接受與三星同樣的成本價、另一方面是當時台積電廠房產能已經滿載,無法接下蘋果如此大量的訂單。

後來蘋果因與三星爭訟、力行「去三星化」政策,且三星在 20 納米製程的良率無法突破,最後只用來生產自家 Exynos 5430 (用在 Samsung GALAXY A8 ) 與 Exynos 5433 (用在 Samsung GALAXY Note 4 )。

另一方面,台積電 20 納米製程領先三星,同時台積電已經將產能擴張完畢,最後才由台積電首度拿下 iPhone 6 的 A8 處理器全部訂單。

三星原先還在苦惱 20 納米製程的良率問題,忽然間竟直接殺到 14 納米製程了。

造成這個轉變的因素,可能多少在於台積電內部所發生的洩密問題。

梁孟松是加州大學柏克萊分校電機博士,畢業後曾在美商超微 (AMD) 工作幾年,在 1992 年返台加入台積電。

台積電在 2003 年擊敗 IBM、一舉揚名全球的 0.13 微米銅製程一役,其中便有他的功績。

2009 年,梁孟松因研發副總升遷不上的問題、憤而離開研發部門,帶走了自己的一組人馬投奔南韓。

接下來幾年,三星的製程突然研發快速進步,從 48、32、28 納米的間隔時間急遽縮短,且三星的電晶體製程與台積電的差異快速減少。

合理來說,三星的技術源自於 IBM,其電晶體應是圓盤 U 狀,而非台積電所獨有的稜形結構特徵,但到了 14 納米製程,在結構上幾乎已經與台積電無異,據台積電委託外部專家所製作的對比分析報告指出,若單從結構上來看,已經無法分辨兩種晶圓是來自於台積電或是三星所製造。

2014年5月,法院判定梁孟松直至 2015 年 12 月31 日前不得進入南韓三星工作。

台灣法院從未限制企業高階主管在競業禁止期限結束之後,還不能到競爭對手公司工作,可以說是個歷史性的判決。

然而,這很難說是台灣媒體的過於誇大。

半導體製程的挑戰,在於不斷微縮閘極線寬、在固定的單位面積之下增加電晶體數目。

隨著閘極線寬縮小,氧化層厚度也會跟著縮減、絕緣效果降低,導致漏電嚴重。

半導體製造業者在 28 納米製程節點導入的高介電常數金屬閘極(High-k Metal Gate, HKMG),即是利用高介電常數材料來增加電容值,以達到降低漏電的目的。

簡單講,HKMG 是由 High-k 絕緣層加上金屬柵極來防漏電用的。

然而在工藝上又分成 由IBM 為首支持的 Gate-First 、與 Intel 支持的 Gate-Last 兩大派。

Gate-Last 顧名思義,是指晶圓製程階段,先經過離子布植(將所需的摻雜元素電離成正離子,並施加高偏壓使其獲得一定的動能,以高速射入矽晶圓)、退火(離子布植之後會嚴重地破壞晶圓內矽晶格的完整性,所以隨後晶圓必須利用熱能來消除晶圓內晶格缺陷、以恢復矽晶格的完整 性)等工序後,再形成 HKMG 柵極。

Gate-First 就是反過來,先形成柵極、再進行離子布植和退火等後續工法。

還記得我們在【晶圓代工爭霸戰:台積電VS聯電】一文中曾提過,聯電和台積電技術的分水嶺,在於聯電採用了 IBM 的技術嗎?當初聯電便是採用了 IBM 基於 Gate-first 的製程技術,才會永遠被台積電所超越。

為什麼 Gate-Last 會比 Gate First 好?很簡單,讀者可以想想,如果先形成 HKMG 柵極、再讓 High-k 絕緣層和金屬等製作柵極的材料經過退火工序的高溫,容易影響晶片性能。

台積電原本也是走 IBM 的 Gate-first 技術,但後來在台積電第一戰將蔣尚義(號稱技術大阿哥 XD)的主導下,在 28 納米改走 Intel 的 Gate-last 技術。

2011 年第四季,台積電才領先各家代工廠、首先實現了28 納米的量產,從 40 納米進展到 28 納米。

三星原本在 32 納米製程同樣採用 Gate-first 技術,後來快速發展出自己的 Gate-Last 28 納米製程,此後的 14納米亦皆基於 Gate-Last。

很多人會把三星能快速發展出自己的 Gate-Last 技術的大功勞歸功於梁孟松。

然而回推2009年,台積電連 40 納米也都還沒多少量、同時 28納米 HKMG Gate-First 與 Gate-Last 的戰役都還沒分出勝負,真要說梁孟松對三星的 FinFET 提供關鍵性的助益… ?

科技同業互相挖角乃為常態,彼此間都有高階人才跳來跳去;粱孟松當初帶了一組人馬過去,若有人在南韓不適應、再度回歸台積電的話,不也換三星要擔心?

因此梁孟松雖然對三星的技術開發有一些貢獻,但影響也沒那麼大;三星的邏輯技術一直都不輸給台積電,只是以前很少做代工罷了。

事後,聽說兩家公司有個非公開的互不挖角協議,避免雙方都困擾。

不過三星的急起直追,對於台積電投入好幾年、幾千億的研發資金的技術仍頗有壓力。

由於三星的 14 納米已超越台積電的 16 納米,加上蘋果 A9 的大部分訂單更轉到了三星,對台積電所造成的損失高達好十幾億美元。

張忠謀在 2014 年的法說會上,坦承 16 納米技術被三星超前,使台積電一度股價大跌、投資評等遭降。

這個局勢在 iPhone 6s A9 晶片忽然扭轉,使得台積電在蘋果A9處理器一戰成名。

同時採用三星及台積電製程的 A9 處理器在功耗上發生的顯著的差異:台積電的晶片明顯較三星地省電,適才爆發知名的 iPhone 6s 晶片門爭議。

這顯示著三星雖然在製程上獲得巨大的進步,但在良率及功耗的控制下仍輸給台積電,使得蘋果 A9 後續的追加訂單全到了台積電手裡;到了 A10 處理器,其代工訂單由台積電全部吃下。

三星雖然挖走了台積電的技術戰將、也跟著往 Gate-Last 技術走,然而 Gate-Last 工藝的防漏電及提高良率的苦功,則還是要仰賴基層生產時的Know-how,這也是台積電的得意絕活。

(所謂十萬青年十萬肝,GG輪班救台灣便是來於此)

為什麼三星的 14 納米會不如台積電的 16 納米製程的另一個原因,在於FinFET (鰭式場效應電晶體) 先進位程上的命名慣例被三星打破。

當初台積電剛採用立體設計的 FinFET 工藝時,原本計畫按照與 Intel 一致的測量方法、稱為 20 納米 FinFET,因為該代製程的線寬與前一代傳統半導體 2D 平面工藝 20 納米的線寬差不多。

但三星搶先命名為「14 納米」,為了不在宣傳上吃虧,台積電改稱為「16 納米」。

事實上,三星與台積電皆可稱為「 20 納米FinFET」。

台積電於 2015 年第 4 季末開始首批 10 納米送樣認證,當時僅蘋果、聯發科及海思等少數一線客戶,高通並未參與。

2016 年 11 月,高通正式宣布下世代處理器驍龍 (Snapdragon) 830將採用三星的 10 納米製程技術,原因在於:

1. 驍龍 810 上的發熱門事件即是採用台積電製程(雖然是高通自己的晶片設計問題);

2. 有韓國媒體傳出, 高通以晶圓代工訂單做為交換條件,要求2017年三星旗艦機Galaxy S8須採用驍龍 830 晶片。

但若台積電能在製程上再度取得優勢,則可預期高通7納米製程將重回台積電懷抱。

晶圓代工爭霸戰 第四篇 :

英特爾VS格羅方德VS中芯

全球第一大半導體公司 Intel 近幾年來,由於在個人電腦市場持續衰退、又在行動通訊市場表現不佳,勢必要尋找其他成長動能。

以 Intel 的定位來說,本身 x86 平台已經有完善的垂直整合生態,然而 ARM 市場對 Intel 可說是未開闢的市場,特別是 ARM 的授權模式讓 Intel 可以直接從代工服務切入,開闢新的營收動能。

為了重整態勢,4月時intel在公布2016年第一季財報後、宣布全球將裁員12000人,並宣布退出行動通訊系統晶片市場。

此舉放棄了Atom晶片 (包括 Sofia 處理器和原預計於 2016 年上市的 Broxton 處理器) 而用於平板的Atom X5也將逐漸淡出市場,但市場上大多人忽略的是intel早在2014年時就入股展訊,間接持有20%的股權,為未來行動處理器業務鋪路意味甚深。

2016 年 8 月,Intel 在年度開發者大會 (Intel Developer Forum, IDF) 宣布開始處理器架構供應商 ARM 的 IP 授權,並首度直接表態「英特爾專業晶圓代工正協助全球各地的客戶」,未來將開始擴大搶食 ARM 架構的代工市場。

Intel 選擇 ARM Artisan 平台,說明未來 ARM 架構的晶片廠都可以選擇 Intel 的代工服務。

據Intel 的官方訊息指出: Intel 專業晶圓代工(Intel Custom Foundry) 將作為提供代工服務的基地,並宣布第一批產品將用於 LG 和展訊上。

LG 將使用 Intel 的 10 納米平台以製造自家的 64-bit ARMv8 mobile SoCs;而原先就是 Intel 控股的展訊則採用 Intel 的 14 納米製程晶圓代工服務。

值得一提的是,若展訊選擇 Intel 14 納米製程代工服務,則該晶片將可能吸引三星的手機訂單──事實上三星在新興市場、比如印度,早已推出好幾款採用展訊晶片的低階智慧型手機。

未來 14 納米製程晶片可能上到中階手機採取。

從一家身為IDM (Integrated Device Manufacturer, 整合元件製造) 公司轉型到先進位程晶圓代工,Intel 的每一步都意欲在行動通訊市場上力挽狂瀾。

在製程技術上,Intel 確實有世界頂尖的技術工藝。

國際半導體評測機構 Chipworks 指出其 14 納米製程將晶片的電晶體鰭片間距做得最為緊密,真正達到了 14 納米,而非台積電與三星的宣稱的 16 納米/ 14 納米,事實上僅有 Intel 20 納米的程度。

Chipworks 的測驗結果也證實了其電晶體效能均領先其他競爭對手。

但晶圓代工著重的不只是製程──產量、良率與背後的一連串支援服務,才是晶圓代工真正的關鍵價值鏈,對此張忠謀也指出英特爾並不是專業晶圓代工,只是把腳伸到池裡試水溫,並道:「相信英特爾會發現水是很冰冷的」。

但亦可得知2017年晶圓代工產業的競爭將會更為激烈。

2017年各家晶圓代工廠的決勝點將是7 納米先進位程。

10納米製程因物理侷限,僅是針對降低功耗做改善,效能上難以突破。

到了7納米、才會是突破10納米效能極限的先進位程,因此被各家廠商視為決勝點。

目前市場上的三大陣營台積電、三星與格羅方德都已經積極投入資源研發該製程,至於結果會如何,只能靜靜等待市場結果了。

格羅方德 (GlobalFoundries) 成立於 2009 年 3 月,是從美商超微 (AMD) 公司虧損連連後拆分出來的晶圓廠,加上阿布達比創投基金 (ATIC) 合資成立。

AMD 僅持有 8.8% 股份,餘下大部分由 ATIC 持有。

藉助背後石油金主 ATIC 的資金優勢, 四個月後收購了新加坡特許半導體,成為僅次於台積電和聯電的世界第三大晶圓代工廠。

畢竟是由 AMD 拆分出來的公司,格羅方德原先主要承接 AMD 處理器和繪圖晶片的生產訂單。

然而2011年,AMD Bulldozer 架構的微處理器由格羅方德代工 32 納米製程時,因良率過低,造成原訂 2011 年第 1 季出貨的進度,一路延誤到 2011 年第 4 季,使得後來 AMD 將部分訂單轉交給台積電。

ATIC作為金主,持續投入高額資本在先進位程的研發上;然而這條路走得始終不順遂。

台積電在2011 年即量產 28 納米製程,格羅方德卻遲至 2012 下半年才正式量產。

在 14 納米 FinFET 工藝上,格羅方德於 2014 年獲得三星的技術授權專利,但自主研發能力也因此遭人詬病。

從 2009 年創立至今,格羅方德的營利始終是負數,2014 年的凈虧損高達 15 億美元。

連續的巨額虧損讓石油金主也難以負擔,2015 年甚至傳出阿布達比因油價腰斬手頭緊、打算脫手格羅方德變現的傳言。

2014 年 10 月,IBM 請格羅方德收下其虧損的晶片製造工廠、以避免支付更高額的關閉工廠遣散費與後續爭訟,並承諾在未來 3 年支付格羅方德現金 15 億美元。

近來傳格羅方德將跳過 10 納米製程,直接跳級進軍 7 納米製程,外界推測是藉由買下 IBM 半導體事業,連同取得重要技術人才與專利。

從格羅方德取得的三星 14 納米製程技術、到 IBM 7 納米製程技術,不像台積電自主研發、以自有資金建廠,聯電與格羅方德的部分製程技術透過合作聯盟或授權而來,在出問題時很難及時調整、或找到人來收爛攤子。

成立以來一路走得跌跌撞撞的格羅方德,前景尚且一片茫茫。

中芯國際成立於 2000 年, 2014 年底獲得中國政府 300 億人民幣產業基金支持。

中芯試圖擠入台積電,Intel 這幾家所把持的半導體市場,然後由於財力和製程技術的不足,技術落後台積電至少 2 代以上,使其始終難以承擔大型的 IC 設計客戶 (如高通) 的重要訂單。

為了縮短技術差距,中芯找上了高通尋求技術升級協助。

高通該時方被中國官方反壟斷調查、遭重罰 9.75 億美元,為了向中國政府示好便答應了和中芯的合作。

2015 年,中芯與高通、華為成立合資企業,研發自有的 14 納米製程技術,並提出2020年前在中芯廠房投入量產的目標。

其中高通的投資金額達 2.8 億美元。

中芯目前已於 2015 下半年開始量產 28 納米製程,這也是中芯的首款產品。

該產線也不意外地拿到了高通驍龍 410 處理器的訂單。

關於晶圓代工戰爭的故事就到這邊暫且告一個段落。

看完了各家大廠間的競合策略,你認為哪一家最有可能成為下一代的領導廠商呢?

由於摩爾定律逼近極限,讓過去台積電能仰賴在製程上甩脫對手一個世代、降低成本綁住訂單,藉以維持高毛利的作法將日益困難。

加上晶片越做越小、漏電流發生的可能越大,良率也勢必跟著下跌;因此未來朝向能管控成本的規模化,以及因應少量客制化需求的生產管理 Know-how,將成為未來晶圓代工廠豎立競爭力的方向。

2016 年 7 月,台積電陸續出貨整合型扇形封裝 (InFO)、跨足終端封裝技術,即是台積電邁向規模化發展的其中一步。

然而封裝的人力需求比晶圓製造來得高,後續的自動化進程將會如何,尚待未來分解。


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