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日期 |2021.02.04

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台積電用一流人才做二流工作?專家:晶圓代工早已是先進製程|觀點

日前有大學教授認為,台積電成功是否來自於聘僱國內一流人才,做二流的工作?引發廣大迴響。作者整合專業背景及友人觀點,認為早期的台積電確實讓高手做二流工作,但國外有其特殊產業背景,台積電就是專注於看似基本的工作,才能在累積20年研發實力後,一舉超越英特爾。

文/曲建仲 原文出處

周刊引用大學教授的話報導:從「全球車用晶片荒」看台灣的兩難:台清交一流人才做二流工作堆起台積電成功,對台灣是種損失?文中引述:如果一粒麥子不死,就不會生出更多的麥子。芬蘭諾基亞失敗之後,釋放出的人力造成芬蘭新創事業大為發達;加拿大黑莓失敗之後,也促成滑鐵盧四周的新創產業圈。

台灣將這麼多一流人才放到台積電做二流工作,對於社會整體是否會是損失?教授在臉書上沒有給答案,那麼我來給大家答案:是也不是。

什麼嘛!廢話,給這種答案,有等於沒有。別急別急,聽我慢慢道來。如果大家不了解台積電在做什麼,又如何能夠理解我的意思呢?因此想要深刻了解這個問題的答案,就必須先了解到底這些台清交一流人才在台積電都做些什麼工作?我來舉一個例子,讓大家也做一回台積電的工程師吧!

什麼是積體電路(IC:Integrated Circuit)?

將電的主動元件(二極體、電晶體)與被動元件(電阻、電容、電感)縮小以後,製作在矽晶圓或砷化鎵晶圓上,稱為「積體電路(IC:Integrated Circuit)」,其中「堆積(Integrated)」與「電路(Circuit)」是指將許多電子元件堆積起來的意思。

將電子產品打開以後可以看到印刷電路板(PCB:Printed Circuit Board)如圖一所示,上面有許多長得很像「蜈蚣」的積體電路(IC),積體電路的尺寸有大有小,我們以處理器為例邊長大約20毫米(mm),上面一小塊正方形稱為「晶片(Chip)」或「晶粒(Die)」,晶片邊長大約10毫米(mm),晶片上面密密麻麻的元件稱為「電晶體(Transistor)」,電晶體邊長大約100奈米(nm),而電晶體上面尺寸最小的結構稱為「閘極長度(Gate length)」大約10奈米(nm),這個就是我們常聽到的台積電「10奈米製程」。

圖1:由電晶體(Transistor)組成晶片(Chip)再封裝成積體電路(IC)。圖/曲博科技教室

什麼是場效電晶體(FET:Field Effect Transistor)?

將電的主動元件(二極體、電晶體)與被動元件(電阻、電容、電感)縮小以後,製作在矽晶圓或砷化鎵晶圓上,稱為「積體電路(IC:Integrated Circuit)」,其中「堆積(Integrated)」與「電路(Circuit)」是指將許多電子元件堆積起來的意思。 將電子產品打開以後可以看到印刷電路板(PCB:Printed Circuit Board)如圖一所示,上面有許多長得很像「蜈蚣」的積體電路(IC),積體電路的尺寸有大有小,我們以處理器為例邊長大約20毫米(mm),上面一小塊正方形稱為「晶片(Chip)」或「晶粒(Die)」,晶片邊長大約10毫米(mm),晶片上面密密麻麻的元件稱為「電晶體(Transistor)」,電晶體邊長大約100奈米(nm),而電晶體上面尺寸最小的結構稱為「閘極長度(Gate length)」大約10奈米(nm),這個就是我們常聽到的台積電「10奈米製程」。

圖2:金屬—氧化物—半導體場效電晶體(MOSFET)的結構與工作原理。圖/曲博科技教室

MOSFET的工作原理很簡單,電子由左邊的源極流入,經過閘極下方的電子通道,由右邊的汲極流出,中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過,有點像是水龍頭的開關一樣,因此稱為「閘」;電子是由源極流入,也就是電子的來源,因此稱為「源」;電子是由汲極流出,看看說文解字裡的介紹:汲者,引水于井也,也就是由這裡取出電子,因此稱為「汲」。

➤當閘極不加電壓,電子無法導通,代表這個元件處於「關(OFF)」的狀態,我們可以想像成這個位元是0,如圖二(a)所示;

➤當閘極加正電壓,電子可以導通,代表這個元件處於「開(ON)」的狀態,我們可以想像成這個位元是1,如圖二(b)所示。

MOSFET是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體(FET),科學家將它製作在矽晶圓上,是數位訊號的最小單位,我們可以想像一個MOSFET代表一個0或一個1,就是電腦裡的一個「位元(bit)」。電腦是以0與1兩種數位訊號來運算,我們可以想像在矽晶片上有數十億個MOSFET,就代表數十億個0與1,再用金屬導線將這數十億個MOSFET的源極、汲極、閘極連結起來,電子訊號在這數十億個0與1之間流通就可以交互運算,最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果,這就是電子計算機或電腦的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電,就是在矽晶圓上製作數十億個MOSFET的工廠。

閘極長度:半導體製程進步的關鍵

在圖二的MOSFET 中,「閘極長度(Gate length)」大約10奈米,是所有構造中最細小也最難製作的,因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度,這就是所謂的「製程節點(Node)」。

閘極長度會隨製程技術的進步而變小,從早期的0.18、0.13微米,進步到90、65、45、22、14奈米,到目前最新的製程10、7、5奈米,甚至未來的3奈米。當閘極長度愈小,則整個MOSFET就愈小,而同樣含有數十億個MOSFET的晶片就愈小,封裝以後的積體電路(IC)就愈小,最後做出來的手機就愈小囉!

10奈米到底有多小呢?細菌大約1微米,病毒大約100奈米,換句話說,人類現在的製程技術可以製作出只有病毒1/10(10奈米)的結構,厲害吧!

化學機械研磨(CMP)的工作原理

由於晶片內的電晶體愈來愈多,製程節點愈來愈小,晶片面積愈來愈小,要把數十億個電晶體的源極、閘極、汲極連接起來必須使用多層導線,如圖三所示的第一層金屬(M1)、第二層金屬(M2)……,而多層導線中的每一層金屬都必須先把表面磨平才能再堆疊上面一層,因此必須使用「化學機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)」來將各層金屬表面「磨平」,這個原理很簡單但是很重要,成為先進製程成敗的重要關鍵之一。

值得注意的是,圖中金屬和金屬之間並不是空心的(否則晶片掉地上金屬導線就垮掉了),而是一種低介電常數(Low K)的絕緣材料,一般是使用塑膠(聚合物),為了拍出這張電子顯微鏡照片,科學家先用化學藥品溶解塑膠所以看起來是空心的。

圖3:積體電路的多層導線示意圖。圖/聯華電子

化學機械研磨(CMP)的原理非常簡單,大家一定都看過銅油去擦銅器(例如:銅扣、銅環等),會使銅器表面變得閃亮亮像鏡子一樣,為什麼這些銅製品擦過銅油以後表面就會閃亮亮呢?銅器用久了會與空氣中的氧反應形成銅锈,銅锈其實就是「氧化銅」,會造成銅器表面粗糙不光滑,而銅油基本上是由「粉」與「油」組成,「粉」通常是硬度較高的陶瓷(金屬氧化物)粉末,它的功能是與銅器表面磨擦而將銅器表面的銅锈刮除,但是在磨擦的過程中必須有「油」來潤滑,這種方式沒有化學反應產生,主要是利用「機械」方式來回不停反覆所造成。

在化學機械研磨(CMP)中除了機械方式,通常還會加入一些化學藥品來與矽晶圓產生化學反應,以縮短晶圓表面研磨平坦所需要的時間,這種方式結合「化學」與「機械」原理,故稱為「化學機械研磨」。研磨時所使用的原料稱為「漿料(Slurry)」,主要是由粉與水組成,「粉」是硬度較高的陶瓷粉末,它的功能是與晶圓表面磨擦而將凸出來的部分磨平;「水」通常含有化學藥品,它的功能是潤滑與侵蝕晶圓表面,將晶圓表面磨平。

化學機械研磨(CMP)的製程參數

化學機械研磨所使用的設備如圖四所示,先將矽晶圓「正面朝下」,吸附在晶圓基座的下方,同時在橡膠墊上注入「漿料(Slurry)」,漿料在矽晶圓與橡膠墊之間,由晶圓基座施加壓力向下並且高速旋轉,使矽晶圓表面受到漿料與橡膠墊的磨擦而變平坦,這個原理夠簡單吧!別小看這台不起眼的設備,圖四那樣一台12吋晶圓先進製程所使用的化學機械研磨機大約新台幣1億元,怎麼樣,嚇到了吧!

假設你是台積電的研發工程師,主管要求你用這台機器把12吋晶圓的表面磨平,那麼你能調整的「製程參數」有那些呢?所謂的製程參數是指調整那些變數可以達到工程目標,看看圖四大家應該也猜得出來,就是晶圓基座向下的壓力、橡膠墊的硬度與旋轉速度、漿料的種類、濃度、流速、反應的溫度和濕度,大概就這些了吧!看到這裡,你是不是也覺得可以去台積電當工程師了呢?

圖4:化學機械研磨(CMP)的設備與製程參數。圖/曲博科技教室

早期台積電的確「是」一流人才做二流工作

我在讀碩士班時認識了一位優秀的學長,他是材料專家,我們實驗室裡的第一個氫能反應器和控制程式是由他一個人設計組裝完成,2000年他博士畢業後進入台積電工作,當年台積電量產的是8吋晶圓0.18微米製程,他進入台積電12吋晶圓0.13微米先進製程研發部門,負責的就是化學機械研磨(CMP),成功開發順利量產。

有一回他和我聊天說自己每天的工作就是「開關水龍頭」,意思是控制漿料的流量把晶圓磨平,同時也提到自己是這個部門學歷最低的人,未來要升遷可能不容易。

我聽了不敢相信,清大材料博士是這個部門學歷最低的人,我好奇的問:那你的同事都是什麼來歷?他不急不徐的回答:一位是麻省理工學院(MIT)機械博士,另外還有史丹佛大學(Stanford)、劍橋大學(Cambridge)材料博士,哦!還有一位是哈佛大學(Harvard)化學博士……,我立刻打斷他:好了!好了!你別說了,我相信你是這個部門學歷最低的人。當年這個部門的高學歷雖然未必是所有部門的狀況,但是由此可見台積電對一流人才的吸引力。

在美國,擁有這些學歷的人會去FAAMG (Facebook/Apple/Amazon/Microsoft/Google) 做動腦筋的設計工作,製造業的工作通常不是他們的首選,而台積電做的是晶圓代工,本質上就是製造業,因此確實有人認為台積電是用台清交一流人才做二流工作,某種程度來說這是對的,因此我說:是,至少早期的台積電是這樣,而且不只台清交,連美國長春藤名校的博士都做同樣的工作。

現在晶圓代工已經「不是」二流工作

隨著時間的演進,目前的晶圓製造已經逼近物理極限,製程愈先進複雜度愈高,前面提到的化學機械研磨(CMP)是晶圓廠裡比較簡單的製程,大家聽起來會覺得這種東西不是找個大學畢業生就可以做了?

但是再想想,如果要把12吋晶圓的表面磨平,而且整片晶圓的表面平坦度必須滿足正負1奈米的誤差,大約10顆原子的大小,而且金屬是硬的,塑膠是軟的,兩種不同性質的材料要一起研磨,怎麼樣,沒有想像的簡單吧!

此外,先進製程裡還有其他技術例如:光學微影、薄膜成長、蝕刻、摻雜是更複雜的,而且未來發展到「埃米製程」材料的量子效應愈來愈明顯要如何克服?【備註:埃米製程是指「次奈米製程」也就是製程節點小於1奈米】。

因此在先進製程的時代,我們已經不能再說現在的台積電做的是二流工作了!因此我說:不是。事實上就是因為這些一流的人才造就了今天的台積電,能夠超越英特爾、三星成為世界第一,而英特爾這樣的科技巨人或許就是因為在美國比不上FAAMG的吸引力,最後才敗陣下來的,不是嗎?

產業的發展必須因地置宜不能好高騖遠

台積電是「先進的」製造業,因為毛利高因此在台灣薪資待遇好,能夠請的起這些優秀的博士、碩士,那麼教授的問題:台灣將這麼多一流人才放到台積電做二流工作,對於社會整體是否會是損失?我認為不會,台灣有那樣的環境去造就本土的FAAMG這種公司嗎?如果沒有,那將這些人才釋放到其他領域又有什麼用呢?

台灣的內需市場很小,我們很難有那樣的環境去造就FAAMG這種公司,我們也不該好高騖遠想要一步登天去造就這種公司,相反的,我們把人才用在最適合我們環境,才會造就出成功的企業,今天回頭看這是個正確的決定。

最後,大家都談台積電的強項,卻不談它的弱點,台積電有三大弱點,或者應該說是台灣半導體產業共同的弱點:先進製程所使用的材料與特用化學品大部分是進口的;先進製程所使用的製程設備大部分是進口的;先進的記憶體製程落後三星。

因此台積電在先進製程領先全球之後,台灣應該利用這個機會進行產業升級,培植相關的半導體供應鏈,包括先進製程所使用的材料、特用化學品、製程設備研發等,這樣優秀的人才就有地方發揮,對於社會整體是正面的呀!

(原文標題:台積電用一流人才做二流工作?專家:多虧這些高手,才能超越英特爾!)


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