首頁 > 矽晶・電子:矽說台灣–台灣半導體產業發展與全球地位
:::
矽晶・電子:矽說台灣–台灣半導體產業發展與全球地位
 
 
 

半導體產業的持續成長是政府推動產業創新的重要支柱,除了電晶體性能持續提升外,快閃記憶體技術的研發與產業的發展是關鍵要素。

 

半導體產業的建立

 

台灣半導體的產值居全球第二,若能配合軟體的創新應用,在這波不論是人工智慧、大數據,以及物聯網的潮流中,都有機會占有重要的一席。而半導體產業的持續成長是政府推動產業創新的重要支柱,除了電晶體性能持續提升外,快閃記憶體技術的研發與產業的發展是關鍵要素。

 

1974年,行政院蔣經國院長為了改善台灣的基礎建設及進行產業升級,推行十大建設並且積極尋找下一個發展的重點工業。那年7月,在美國RCA公司擔任研發工作的潘文淵先生向經濟部孫運璿部長提出「積體電路(IC)計畫草案」,並經孫部長召集會議拍板定案,決定發展電子工業,於是台灣半導體產業正式萌芽。

 

1976年,為了引進海外IC技術,經濟部特別成立由7人組成的「發展積體電路計畫工作小組」進行評估及建議,小組委員包括方賢齊、潘文淵、施敏等人。最後從多家國外廠商中,選擇移轉美國RCA公司的互補式金屬氧化物半導體(CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor)電晶體技術。當時CMOS電晶體技術較新,不是主流技術,但最大的優點是省電,這也是小組委員看好這項技術的原因。

 

在台灣半導體產業的發展史中,1974年9月成立的工研院電子工業發展中心(後升格為電子工業研究所)扮演了重要的角色。除了美國海外學人組成的美洲技術顧問團(TAC, Technical Advisory Committee)義務協助工研院,提供電子工業發展的建議外,1976年4月,工研院派遣第一批種子部隊到RCA公司學習IC技術。而這些受訓的成員如史欽泰、曹興誠、曾繁城等人,在台灣半導體產業往後的發展中也各自扮演重要的角色。

 

1977年10月,工研院建立的全台灣首座IC示範工廠正式開工。當時是採用7.5微米製程,每星期可生產300片3英寸的晶圓。之後轉型為每星期生產4,000片的小型工廠,而且產品的良率在營運的第6個月已經高達7成,遠遠高於與RCA議定的17%,算是相當成功。

 

1979年初,IC示範工廠營運了12個月,不僅營運成效良好,淨利也高達營收的20%。於是在1980年,台灣第一家IC公司也是工研院IC計畫的第一家衍生公司「聯華電子」正式成立。因當時半導體產業剛起步,民間投資意願低落,所以聯華電子官方色彩的股東就占了7成的股份。1980年12月,新竹科學工業園區成立,聯華電子成為進駐園區的第一家廠商。

 

1985年8月,曾任德州儀器全球副總裁、通用器材總裁,且是美國半導體界影響力最大的經營者之一的張忠謀,接受工研院董事長徐賢修的邀請,來台灣擔任工研院院長。他是抱著把工研院發展成像貝爾實驗室般的世界級研究機構的期望回來的。

 

台灣當時的IC設計及技術研發是落後的,但在製造上卻有相當的水準及優勢。張忠謀院長來台灣沒多久,就在李國鼎政務委員的大力促成下,決定成立世界第一家專業晶圓代工廠,以充分發揮台灣在製造方面的優勢。1987年,現今世界晶圓代工市占率第一名的「台積電」就此誕生。也因為有了專業的晶圓代工廠,IC設計公司只要把所設計的產品委託製造,不需自行設立工廠,於是台灣的IC設計公司如雨後春筍般一家一家地設立。

 

1989年,為嘗試半導體另一項製程技術主流—動態隨機存取記憶體(DRAM,屬揮發性記憶體,電源供應中斷後,所儲存的資料便會消失)的研發,工研院規劃「次微米計畫」,並延攬當時在貝爾實驗室任職的盧志遠博士負責這項計畫。原訂5年完成的計畫,只花了4年半就發展出八英寸晶圓0.5微米的製程技術,讓台灣躋身世界半導體技術的領先群。而在「次微米計畫」結束之後,也衍生出台灣第一家具有研發和量產DRAM實力的民間公司「世界先進」。

 

台灣半導體產業另外在封裝測試、快閃記憶體(flash memory,屬於非揮發性記憶體(註1),即使電源供應中斷,所儲存的資料並不會消失,重新供電後就能讀取記憶體中的資料)等領域也有不錯的發展,如日月光、矽品、旺宏電子等公司,在全球也是業界的翹楚。

 

人才的培育與匯集

 

台灣半導體產業為何可以成功?除了政府科技政策的大力支持,如研發投資抵減租稅、五年免稅等獎勵措施外,人才的培育與匯集也相當重要。在過去1960年那個通訊不發達的年代,要獲得國外較新的科技發展資訊相當不容易。為了讓台灣的工程師可以有系統地了解國外的新技術,1968年由「美洲中國工程師學會」會員擔任講師的第一屆「近代工程技術討論會」在台北舉行。透過密集的短期講習,即時解答疑惑,逐步提升台灣工程師的專業知識。這個討論會到現在每逢偶數年都會在台灣舉辦。

 

在國際半導體界赫赫有名、浮閘記憶體發明人之一,並著有半導體界的聖經《半導體元件物理》的大師施敏,自1966年起,共計向貝爾實驗室申請5次留職停薪,返台到交通大學、臺灣大學、中山大學等學校開班授課,並培育了台灣最早的3位工學博士,對台灣半導體人才的啟蒙及教育影響非常大。

 

而當初參加RCA計畫的成員,有的原本就在台灣工作,也有從美國專程回台參加IC計畫。他們懷著對國家的使命感,在美國受訓期間認真學習,回台灣還努力發展出很多新技術,有些人幾年後甚至成為半導體相關產業的企業老闆。

 

此外,為留住台灣的人才,1970年代末期,任教於交通大學的盧志遠教授協助李國鼎政務委員制定數項政策,包括國防役與雙語學校。透過國防役可以留下部分人才進行研發,發展國家產業。在新竹科學園區設立雙語學校,可讓海外返國服務的學人順利銜接子女在美國的教育課程,無後顧之憂。

 

基於台灣半導體產業結構趨於完備,1987年國科會鄧啟福副主委建議成立一個國家級實驗室,提供產學研半導體元件的研發平台與技術服務,並培育產業鏈所需的科技人才。1988年行政院核准建置「國家次微米元件實驗室」,並委由交通大學興建。後更名為「國家奈米元件實驗室」(NDL),並於2003年改隸「財團法人國家實驗研究院」。

 

1998年中央研究院施敏院士被聘為國家奈米元件實驗室的主任,當時NDL潔淨室大概只有一百多坪。為了前瞻半導體元件(主要是電晶體與記憶體)技術研發的未來10年到15年,並提升半導體科技人才的培育,以及對產學研的服務,施院士建議NDL必須擴大。在國科會的支持下,2004年2月奈米大樓竣工,還特別邀請了「半導體工業最重要的推手」孫運璿資政為這一萬一千坪的「奈米電子研究大樓」題字及剪綵。

 

扮演創新的角色

 

1976年,蔣經國院長指示國科會創立第一座科學園區–新竹科學園區,目的是培養台灣現代化的工業能力,吸引海外人才回國創業,並提供國內大學畢業生好的就業、創業環境。園區於1980年12月完工,首任園區管理局局長是何宜慈博士。科學園區的設立是一創舉,充分發揮了產業的群聚效益,舉凡晶圓代工廠、IC設計公司、封裝測試廠、製程設備商等都聚集在科學園區。而上下游廠商間各自獨立卻又有合作關係,且產業情報流通快速,促使各家廠商不得不快速成長,因而創造台灣半導體產業的高產值。

 

半導體產業結構的上游是IC設計業,中游是光罩、IC製造、晶圓及化學品業,下游是IC封裝測試與零組件(如基板、導線架)業,每個階段都有各自所需要的設備儀器。

 

IC產品可概分為非記憶體與記憶體。非記憶體產品的製造可以採用標準的CMOS電晶體製程,是單一標準製程,而且產品非常多元化。若能以最具生產力與成本優勢的代工製程製造出多元化的各種規格的IC產品,就最具競爭力。

 

以往半導體產業是一家公司統包所有流程,即整合元件製造公司(IDM),採設計、製造、測試到包裝販售的「垂直整合」模式。台積電的運作模式不同於IDM,專職於晶圓代工,有如「共同廚房」的營運模式,使得全世界有想法要製作非記憶體產品的廠商,只要找代工廠幫忙製作就行了,不用自己購買昂貴的設備,這成就了一個新的商業模式。

 

但是記憶體恰恰相反。記憶體IC規格是單一性的,有國際共通的規範,而其優異性以其獨特的製程技術最為重要,而且設計、測試都要與其獨特的製程緊密配合,才能在單一規格中勝出。至今記憶體龍頭大廠清一色都是IDM,晶圓代工在記憶體IC部分尚未具優異性。因此全球記憶體IC技術的研發與產業的發展,非常具有挑戰性。

 

快閃記憶體的影響

 

從整個IC市場來看,記憶體產品所占的比率雖然較小(約為28%),但在電子產品中卻是不可或缺,也因此記憶體產業發展與台灣IC產業、電子產業的持續成長有密切關係。記憶體主要的產品分別是DRAM、快閃記憶體(flash memory)。

 

1995年DRAM、Flash的銷售金額分別是408.3億美元、18.6億美元,2015年分別成長至449.7億美元、303.9億美元,兩種記憶體年複合成長率分別是0.48%及14.99%。由此可見,各種電子工業、電子系統對快閃記憶體需求的成長是遠大於DRAM。

 

快閃記憶體自1985年已成為浮閘記憶體的主流(註2),浮閘記憶體是1967年施敏與姜大元在貝爾實驗室發明的。它結合獨特的非揮發性、系統內可覆寫、耐用、高密度、低耗能,以及與CMOS電晶體製程相容的性質,現今已逐步取代了硬碟、光碟、錄音帶、膠捲等。使用快閃記憶體的隨身碟也廣泛用來取代紙本文件的儲存。隨著浮閘記憶體發展的技術不斷演進,未來將持續影響及改善人類的生活方式。

 

由於浮閘記憶體能提供長期資料的儲存,1990年後幾乎所有現代電子系統的發明都是由浮閘記憶體所促成的。若把使用浮閘記憶體的電子系統與所有電子系統的數量比稱為滲透率,自2014年起,滲透率已達100%。這表示每一個具備最低智能(即預燒錄和∕或再燒錄能力)的現代電子系統,都需要浮閘記憶體執行它的功能,也就是說,如果不是使用獨立的浮閘記憶體,就是使用系統核心晶片上的嵌入式記憶體。

 

就2014年應用浮閘記憶體前十名的電子工業市場而言,其中手機(銷售17億支)、電腦(5億台)、數位電視(2.5億台)在全球銷售數量是前三大系統。若以年複合成長率來看,物聯網(21%)、無線網路(16%)、平板電腦(10%)則是前三大。由於浮閘記憶體(尤其快閃記憶體)是未來電子工業的關鍵元件之一,因此其技術及下一代非揮發性記憶體的研發與相關產業的發展,對未來台灣電子工業影響至巨。

 

全球地位

 

電子工業涵蓋了資訊、通訊、消費性電子、工業用產品、運輸用產品及國防、太空產品,是21世紀全球最大產業。半導體工業是電子工業的基礎,而半導體技術不斷創新更是驅動電子產品功能進步與產業發展的原動力。因此全球各主要工業國家無不以半導體工業為優先發展的目標,台灣更不例外。

 

依據世界半導體貿易統計協會的資料,全球半導體市場自1991年的546億美元成長至2015年的3,352億美元,其年複合成長率是7.85%。在3,352億美元的半導體銷售額中,IC產品銷售額是2,745億美元。而IC產品可概分為非記憶體與記憶體,其中非記憶體產品 (如邏輯IC、類比IC、微處理器、微控制器等)、記憶體產品銷售額分別是1,973億美元、772億美元。因此記憶體產品的市場約為IC產品市場的28%。

 

台灣擁有全球最完整的半導體產業聚落及專業分工。IC設計公司在產品設計完成後,委託專業晶圓代工廠或IDM廠,經由前段測試,再轉給專業封裝廠切割及封裝,最後由專業測試廠進行後段測試。測試後的成品則經由銷售管道賣給系統廠商,最後裝配生產成為系統產品。

 

2014∼2016年,台灣IC設計產業位居全球第二位,晶圓代工及IC封測產業則位居全球第一位,而晶圓代工與IC封測產業的市占率更是超過5成。另依據2015∼2016年全球晶圓代工公司市占率排名,台積電、聯電、力晶、世界先進分別位居全球第一、第三、第五及第七位。

 

2015年、2016年台灣IC產業產值分別是新台幣22,640億元(約754.7億美元)、24,493億元(約816.4億美元),約為當年全球半導體市場3,361.7億美元、3,389.3億美元的22.45%、24.09%,全球排名第二。由於半導體產業促進台灣整體電子業的成長,使台灣的電子業在全球占有舉足輕重的地位。

 

台灣半導體產業的萌芽源自1970年代,在蔣經國院長的支持、孫運璿部長的推動、海外學者的協助及國內外人才的投入下,造就了今天台灣半導體產業產值居全球第二名的規模。新竹科學工業園區的建立,更促成垂直分工的創新商業模式。浮閘記憶體已廣泛應用在手機、電腦、數位電視、物聯網、無線網路等,其技術及下一代非揮發性記憶體的研發與相關產業的發展,對未來台灣電子工業的影響至巨。

 

註1:非揮發性記憶體包括硬碟、光碟及「浮閘記憶體」。「浮閘記憶體」及其衍生的「浮能陷(floating trap)記憶體」統稱為「非揮發性半導體記憶體」(nonvolatile semiconductor memory, NVSM)。NVSM包括「快閃記憶體」及電子抹除式可複寫唯讀記憶體(electrically erasable programmable read-only memory, EEPROM)。

 
註2:2016年快閃記憶體在浮閘記憶體市場的占有率達95%,其餘5%是EEPROM。
 
推薦文章

TOP