《台灣半導體產業強勢崛起的背後》

​眾所周知,半導體是現代科學技術的巔峰,支撐起現代科技、國防、民生等方方面面,是一個國家科技、工業、國防實力的後盾和基石。從1987年台灣積體電路製造股份有限公司(也即耳熟能詳的台積電)創立至今,30年的時間里,台灣半導體產業從落後中國,到超越日本、歐盟、韓國,與美國並駕齊驅,短短30年,半導體產業在台灣生根並茁壯成長,最終領導全球科技產業發展,譜寫了一部台灣經濟轉型史。這一切僅僅是技術的轉移那麼簡單?為什麼與美國關係更密切的日本、韓國、歐盟反而被台灣甩開,是美國獨厚台灣,願將獨門技術只給台灣嗎?顯然,過去中國媒體將台灣的半導體產業簡單的歸結於技術引進,設備引進,只是一種宣傳的說辭,台灣的半導體產業為何會反超中國,原因究竟在哪裡?本文將從歷史和研發現狀進行介紹和分析。

一、從落後到領先:

1957年,北京電子管廠通過還原氧化鍺,拉出了鍺單晶。中國科學院應用物理研究所和二機部十局第十一所開發鍺晶體管。當年,中國相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管(即晶體管)。而此時的台灣在微電子技術和半導體技術領域是一片空白。

1959年,天津拉制出硅(Si)單晶。1962年,天津拉制出砷化鎵單晶(GaAs),為研究制備其他化合物半導體打下了基礎。同年,中國研究製成硅外延工藝,並開始研究採用照相製版,光刻工藝。這時候的台灣仍是一片空白。

1963年,河北省半導體研究所製成硅平面型晶體管。隔年,該單位又研制出硅外延平面型晶體管。

1965年12月,河北半導體研究所召開鑒定會,鑒定了第一批半導體管,並在中國首先鑒定了DTL型(二極管――晶體管邏輯)數字邏輯電路。1966年底,在工廠範圍內上海元件五廠鑒定了TTL電路產品。這些小規模雙極型數字集成電路主要以與非門為主,還有與非驅動器、與門、或非門、或門、以及與或非電路等。標誌著中國已經製成了自己的小規模集成電路。

1966年,Microchip在高雄設立高雄電子,從事晶圓封裝,台灣第一次接觸到半導體技術。此時,台灣在半導體技術領域已嚴重落後於中國。唯一的半導體工業還是外商掌握著經營權與主導權。

1968年,上海無線電十四廠首家製成PMOS(P型金屬-氧化物半導體)電路(MOSIC)。拉開了中國發展MOS電路的序幕,並在七十年代初,永川半導體研究所(現電子第24所)、上無十四廠和北京878廠相繼研製成功NMOS電路。之後,又研製成CMOS電路。

1970年代,IC價高利厚,需求巨大,引起了全中國建設IC生產企業的熱潮,共有四十多家集成電路工廠建成,四機部所屬廠有749廠(永紅器材廠)、871(天光集成電路廠)、878(東光電工廠)、4433廠(風光電工廠)和4435廠(韶光電工廠)等。各省市所建廠主要有:上海元件五廠、上無七廠、上無十四廠、上無十九廠、蘇州半導體廠、常州半導體廠、北京半導體器件二廠、三廠、五廠、六廠、天津半導體(一)廠、航天部西安691廠等等。猶如今天中國新一輪半導體跟風潮。

1972年,中國第一塊PMOS型LSI電路在四川永川半導體研究所研製成功。1973年,我國7個單位分別從國外引進單台設備,建成北京878廠,航天部陝西驪山771所和貴州都勻4433廠。

1967~1970年,德州儀器、飛利浦、捷康、三洋、摩托羅拉等在台灣建廠,引進半導體封裝技術,為台灣的半導體封裝產業發展奠定基礎。此時的台灣,仍舊沒有完整的半導體產業鏈,也缺乏相關技術與人才。

然而,轉折點很快就迎來了。

70年代初,台灣政府以半導體產業為產業轉型突破口,為發展集成電路投入一千萬美元啓動基金,並且在1974年兩個推動性的組織先後成立:

- 9月,工研院成立「電子工業研究發展中心」(電子所)

- 10月,海外華人在美國成立「電子技術顧問委員會」

1976年,工研院電子所與美國RCA公司達成了技術轉移協議,開啓了CMOS 領域的大門,台灣從RCA引進全套技術及生產管理流程;1977年,引進IMR的光罩技術;1978年,電子所建立了實驗工廠和示範工廠,而後首批由台灣本土製造的IC產品問世。但此時的台灣,已經落後中國10年以上,在產能上又嚴重不足,面對中國以國家意志攜技術、產能優勢發展半導體工業,台灣看似必敗無疑。

1976年11月,中國科學院計算所研製成功1000萬次大型電子計算機,所使用的電路為中國科學院109廠(現中科院微電子中心)研制的ECL型(發射極耦合邏輯)電路。��1982年,江蘇無錫的江南無線電器材廠(742廠)IC生產線建成驗收投產,這是一條從日本東芝公司全面引進彩色和黑白電視機集成電路生產線,不僅擁有部封裝,而且有3英吋全新工藝設備的芯片製造線,不但引進了設備和淨化廠房及動力設備等「硬件」,而且還引進了製造工藝技術「軟件」。這是中國第一次從國外引進集成電路技術。第一期742廠共投資2.7億元(6600萬美元),建設目標是月投10000片3英吋硅片的生產能力,年產2648萬塊IC成品,產品為雙極型消費類線性電路,包括電視機電路和音響電路。到1984年達產,產量達到3000萬塊,成為中國技術先進、規模最大,具有工業化大生產的專業化工廠。

而在台灣,1981年,聯華電子成立,民資佔30%、官方佔70%,成為政府研究機構將技術移轉到民間部門的首個案例,也是IC技術走向民間的第一步;

隨著中國引進日本技術打造的742廠投產,此時的台灣引進RCA公司的制程已經完全被中國超越,買來的技術優勢蕩然無存,比財力,台灣遠不及中國,如此下去台灣半導體工業永無出頭之日。1983年,工研院電子所實施超大型集成電路計劃,以合作方式推進DRAM與SRAM技術的研發,由於當時的台灣能力不足而最終功虧一簣。台灣半導體產業面臨著全盤覆滅的危險。痛定思痛,台灣由此下定決心,走自主研發之路。

1982年10月,中國國務院為了加強全國計算機和大規模集成電路的領導,成立了以萬里副總理為組長的「電子計算機和大規模集成電路領導小組」,制定了中國IC發展規劃,提出「六五」期間要對半導體工業進行技術改造。

1986年,電子部廈門集成電路發展戰略研討會,提出「七五」期間我國集成電路技術「531」發展戰略,即普及推廣5微米技術,開發3微米技術,進行1微米技術科技攻關。

有了國家意志的強力支持,中國各地開始了半導體產業挖人、招商引資和大興建設之路。由此帶動中國半導體技術迅速發展:1988年9月,上無十四廠在技術引進項目,建了新廠房的基礎上,成立了中外合資公司――上海貝嶺微電子製造有限公司。1988年,在上海元件五廠、上無七廠和上無十九廠聯合搞技術引進項目的基礎上,組建成中外合資公司――上海飛利浦半導體公司。

1987年,工研院電子所與飛利浦合作成立台積電,張忠謀創造性的提出了專業代工模式來運營此工廠,由此,台積電成為全世界第一家專業的晶圓代工廠,IC產業的一種新分工形態出現,這也標誌著台灣IC製造技術從此生根。Intel當時積極尋求部分制程的海外代工,這是台積電成功的一大契機。

隨著聯電、台積電的相繼成立,外資為主的下游封裝業,以及本地企業為主的上游設計、光罩業和中游製造業。從而大批海外IC人才紛紛回流創業,大批IC公司特別是設計類公司不斷興起,華邦、華隆微、德基半導體、旺宏、硅成、威盛、民生科技等不同細分領域的半導體企業也逐漸湧現了出來。在商業模式創新下,幾乎是一夜之間,台灣的半導體產業如雨後春筍般顯露出頭角,官方的工研院積極扶植起的台積電與聯電也羽翼漸豐,宛如今日的台灣生技醫藥產業。

與此同時,在中國,1989年2月,機電部在無錫召開「八五」集成電路發展戰略研討會,提出了「加快基地建設,形成規模生產,注重發展專用電路,加強科研和支持條件,振興集成電路產業」的發展戰略。��1989年8月8日,742廠和永川半導體研究所無錫分所合併成立了中國華晶電子集團公司。1991年,首都鋼鐵公司和日本NEC公司成立中外合資公司――首鋼NEC電子有限公司。

但此時的中國半導體產業已經浮現隱憂。隨著規模日益擴張,生產嚴重過剩,政策扶植下的產業發展空有匹夫之勇,一腔熱情搞建設,卻從未有理性的反思與合理的規劃。隨著一條條產能的開出,中國的國家意志不僅沒有讓中國的半導體工業走向強大,反而一步步住進重症監護室中依賴於補貼輸血才能勉強應付龐大的生產線運轉,過量的產能讓各地頭痛不已。反觀台灣,半導體產業雖發展緩慢,但步步為營,沒有躁進也沒有狂熱,看清自己的位置,從商業模式創新開始,拿到了半導體產業的入場券和第一桶金。此刻,兩岸間半導體產業的未來走向已有定數,中國半導體逐步開始沒落,並從此開始一蹶不振的20年。

二、超越歐洲、日本:(圖一)1990半導體全球十強

1990年代半導體是兩個半國家的工業(兩個是指日本、美國,半個是指歐洲)。從上圖也能明顯看出,1990年全球半導體公司排名,前三甲皆是日本企業。歐洲則有一家飛利浦公司上榜。

圖二(2005半導體全球十強)

15年後的2005年,同樣的榜單,日本廠商頹態初現,歐洲廠商則勢力大增。此時的台灣依舊是默默無聞,耕耘著自己的技術與供應鏈。

在這15年里,台灣相繼成立三大科學園區,制定半導體技術自主研發規劃,逐步從飛利浦手中拿回台積電股權(過去台積電是飛利浦持股50%的真·外企),並打造台灣半導體供應鏈,構建產業聚落,以及完整的產-官-學-研利益共同體。這時的台灣,半導體設備仍嚴重依賴進口,上游矽晶圓也是外資控制,台灣僅僅是中游的製造上進入第一梯隊而已。

很快,台灣便相繼成立了國家實驗研究院,下轄多個與半導體技術相關的國家實驗室,同時軍方的中山科學研究院也加入了戰局,和台灣工業技術研究院一道扶植起台灣的半導體企業,現今全球最大的GaAs/GaN半導體代工廠商穩懋科技即是台灣中山科學研究院技術轉移的成果。隨後中央研究院也投入基礎科學領域的研究。由此,台灣半導體小企業成為了台積電、聯電、聯發科、日月光等大廠的供應鏈成員,而他們又聯合台灣官方的研究機構、民間大學、企業本身和國際合作夥伴一道組成集團軍,蛻變後的台灣半導體產業爆發式發展已經是指日可待。

由圖三可見,台灣當今已是全球最大的半導體製造基地,其晶圓產能高居全球第一,幾乎是中國的2倍。已發展為當之無愧的「硅島」。

圖四、2016年全球半導體20強榜單,在十年脫變成長後,台灣已有3家企業進入全球半導體產業20強,上榜企業數量與歐盟、日本持平,同列全球第二。

圖五、與此同時,台灣的半導體產值逐年攀升,2016年已達到780億美元,居世界第二位,僅次於世界霸主美國。

​圖六、此時的台灣,在半導體各領域都已經站上全球第一梯隊,從產業鏈最上游的矽晶圓產能,台灣已是全球第二,儘管與日本廠商還有不小差距,但環球晶圓的發展勢頭很猛,公司未來持續並購同業擴大產能意願強烈。

圖七、在IC設計領域,全球前十大IC設計廠商,台灣佔據3席,分別是聯發科、聯詠科技、瑞昱半導體。這些IC設計領域的廠商依託台灣先進的半導體制程工藝技術,未來仍有很大發展餘地和空間。

圖八、​在晶圓​代工領域,前十大廠商,台灣佔據4席,分別是台積電、聯電、力晶、世界先進。全球半導體代工份額有7成以上被台灣廠商壟斷。

​圖九、在晶圓​代工領域,前十大廠商,台灣佔據4席,分別是台積電、聯電、力晶、世界先進。全球半導體代工份額有7成以上被台灣廠商壟斷。

三、引領未來發展:

圖十、ISSCC是「IEEE International Solid-State Circuits Conference」的縮寫,是世界學術界和企業界公認的集成電路設計領域最高級別會議,被認為是集成電路設計領域的「世界奧林匹克大會」。2018年ISSCC大會上,台灣共有16篇論文入選,數量僅次於美國與韓國,居全球第三。(中國無一論文入選)

圖十一、早在2015年,​台灣國家實驗研究院即領先美國Intel、IBM技術聯盟和比利時IMEC,率先展示全球首個5nm菱形電晶體技術樣品。

圖十一、十二、
在半導體核心設備:光刻機、原子層沈積系統和刻蝕機領域,台灣皆有獨家技術,可以實現完整國產化,這些技術不僅意味著台灣具備整個設備研發、製造能力,還意味著可以自主對舊機台進行升級改造,避免反復購置新設備,還可以對採購國外的設備進行二次改良,在國際大廠的技術上更進一步,從而奠定制程上獨步全球的技術與良率。

垂直堆迭晶片(3D-IC)具備輕薄短小、低功耗與多功能的優勢,半導體產業已於2010年正式進入3D-IC世代。台灣國家實驗研究院儀科中心將累積40年研發大口徑光學系統的經驗與技術,運用於曝光機鏡頭模組的設計開發,在台北國際光電展中,特別展出全台第一套在地化、自主設計製造的步進式光刻機投影鏡頭之光學元件。該光刻機鏡頭是以等倍率透過逐步重複(步進式:step and repeat)的方式進行晶圓的曝光,除可應用於 3D-IC 製程中的曝光設備外,所建立的技術亦可開發各種需要曝光投影製程(例如 PCB、LED 和 LCD)的曝光設備,廣受廠商青睞。

目前台灣自主研發的3D-IC光刻機已獲得台積電、美光半導體、聯電採用。台積電已在10nm工藝的SRAM元件試產上驗證了台灣國產光刻機的優異性能,目前正在進行為期18個月的可靠性和良率測試。

IC晶片是由結晶矽(在其上製作電晶體等各種電子元件)及絕緣層所構成,目前半導體廠製作3D IC主要是以「矽穿孔3D-IC」技術,將兩塊分別製作完成的IC晶片疊放,並以垂直的導線連通上下兩層晶片,兩層IC之間的距離約為50微米。��台灣利用自主研發3D-IC光刻機技術發展的「積層型3D-IC」技術則可在第一片晶片的絕緣層上,直接製作第二層結晶矽薄膜以及其上的IC。突破了長久以來「積層型3D IC」的製作瓶頸。此技術可將結晶矽薄膜磨薄到僅0.015微米厚,因此兩層IC之間的距離僅0.3微米(絕緣層的厚度),是矽穿孔3D-IC技術50微米的1/150。

�積層型3D IC一向被稱為「三維積體電路的聖杯」,現在由台灣率先開發出來,研究團隊並已成功於單晶片上整合及堆疊邏輯線路、非揮發性記憶體及SRAM,相關成果撰寫成兩篇論文,發表於2013年底舉行的「國際電子元件會議」(International Electron Devices Meeting, IEDM),且被IEDM大會選為公開宣傳資料(publicity materials)。台灣研發的積層型3D-IC技術,已成為國際重要的技術指標。

​圖十三、台灣研發的光刻機Window薄膜,紫外光區反射小於0.5%,優於荷蘭ASML採用的德國蔡司產品,已經被TSMC(台積電)試用。

圖十四、十五、目前台積電即將跨入10nm以下時代,市面上包括過去台灣研發的設備都不再適用。為了保持台灣半導體產業的領先優勢,台灣國家實驗研究院為台積電研發了新一代的原子沈積系統,該系統主要是用於下一代的10nm以下制程,並且直接由國家實驗研究院供貨給台積電,並不會賣給第三方公司。該技術堪稱是台積電的一大秘密武器。

​圖十六、台灣半導體產業鏈除了大量國產設備廠商外(本文僅介紹三大核心設備和部分廠商),還有大量科研機構和廠商合作研發的各種獨家定制生產設備,例如台積電和工研院合作的納米微粒測量系統、微波退火系統,台灣聯電與工研院合作的晶圓瑕疵檢測系統,台灣穩懋與中山科學研究院合作的8英吋SiC晶圓MOVCD機台,台灣晶元光電​與國立中央大學合作的中大尺寸與高均勻度鍍膜MOCVD機台等其他競爭對手無法商業購買的設備。

此外,國際大廠也紛紛將生產、研發、設計中心設立在台灣。

​目前,國際知名半導體設備大廠在台灣均有深入的佈局,最為積極的當屬ASML、應用材料、科林研發。其中光刻機的龍頭ASML更是已經把新的製造中心設在台灣,台灣亦是ASML第一次在荷蘭之外,設立研發、製造基地。據ASML台灣高層介紹,目前ASML所有的8英吋曝光設備及部分12英吋曝光設備的關鍵模組均由台灣製造中心量產,而且ASML還將量測設備等產品的全球製造中心也搬到了台灣。��圖十七、去年,ASML看好台灣本土半導體設備大廠漢民微測在量測設備上獨步全球的技術實力,斥資1000億收購漢民後,進一步擴大ASML產品線及在台研發、製造業務。目前,ASML總部也聘請大量台灣半導體人才,包括ASML全球副總裁游智瓊,全球卓越創新中心總監趙中榛等。

​全球第二大半導體設備商科林研發執行長馬丁.安斯帝思(Martin Anstice)日前抵台接受台灣當地媒體的訪問時宣佈,將擴大在台零組件採購,同時將首度在台灣本土製造最先進的半導體製程設備,這也是科林研發首次將新設備拉到海外製造,並選定台灣為首個海外生產基地。

Martin Anstice基於商業機密,不便透露在台組裝相關細節及機型,但坦承會以最嚴苛的標準,並擴大向台灣合作夥伴採購零組件,並建立完善的半導體設備供應鏈。這也是科林研發繼去年在台成立半導體製程設備整建中心後,擴大在台佈局的一項重大決策。

半導體及顯示器設備大廠美商台灣應用材料公司,近日在南科園區舉行台南製造中心新廠興建工程的動土典禮,將投資30億元,因應客戶對液晶顯示(LCD)十代以上大型面板 (2940mm x 3370mm) 生產設備及有機發光二極體(OLED)設備的高度需求,預計2018年10月啓用。

目前台灣供應鏈已成為半導體設備大廠的關鍵合作夥伴。例如荷蘭ASML光刻機,其全球研發中心實際早已經設立在台灣,並且把全球製造中心也搬到了台灣。ASML光刻機可以說幾乎是100%的台灣血統。現在ASML的EUV光刻機鏡頭就是委託台灣團隊設計的。其光刻機關鍵模組代工也在台灣完成,由台灣帆宣科技公司負責。而ASML光刻機的光罩、EUV Pod也全部由台灣公司家登精密提供。ASML光刻機電源系統由台達電子獨家供應,真空腔體則由台灣千附實業公司獨家壟斷。此為ASML新一代的量測系統Yield Star也全數搬到台灣生產,其絕大部分零組件均是台灣帆宣科技負責,一部分零組件則有鴻海旗下的京鼎精密負責代工。

台積電的10納米和7納米量產時間可能會非常接近,台積電與聯電實際身後是有大量軍事研究機構和國家研究機構支持的,也不是單打獨鬥的,同理英特爾也是一樣的,如果5、7納米以下的競爭真的讓台積電獲得優勢,使英特爾真的在2020左右輸掉最大半導體獲利廠商的地位,那就是美國半導體科技輸掉了。

當前台積電已經在淨利潤和市值上雙殺英特爾,台灣在半導體領域崛起已是既定事實,如果按照中國部分媒體和「分析人士」空口無憑的說辭,台灣半導體技術完全是歐美施捨,那麼美國何以會容忍台灣半導體廠商一部部壓在自己頭上還笑臉以技術相送?不知道特朗普知不知道,原來自己的國家如此愛台灣,這哪兒是美國優先,按照中國媒體邏輯這分明是台灣優先嘛。

當前台積電已經在淨利潤和市值上雙殺英特爾,台灣在半導體領域崛起已是既定事實,如果按照中國部分媒體和「分析人士」空口無憑的說辭,台灣半導體技術完全是歐美施捨,那麼美國何以會容忍台灣半導體廠商一部部壓在自己頭上還笑臉以技術相送?不知道特朗普知不知道,原來自己的國家如此愛台灣,這哪兒是美國優先,按照中國媒體邏輯這分明是台灣優先嘛。本文以事實說話,歡迎轉發,請注明版權:鄭凱夫首發。特此聲明:如用於出版或產業分析、研究及其他商業目的需徵得本人許可。

2018.2.5鄭凱夫
近 31 日
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沒有 署名。有些數字 不實 或無法考證 如台積電毛利應該超過五十。Intel良率 無法查證。台灣稅收 有待考証。

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