[原創] 蔡南雄：中國的集成電路製造業三兩談

蔡南雄博士曾經在美國矽谷Intel和Fairchild擔任IC工藝開發工程師。從1983年起，蔡博士先後合夥創辦了台灣茂矽電子公司、江蘇無錫華晶上華半導體公司、台灣合晶材料有限公司、浙江寧波中緯集成電路以及長沙創芯集成電路有限公司，負責各項專業工作，以及擔任總經理和董事長職務；也曾擔任過香港華智半導體公司、台灣茂德電子公司、上海宏力半導體公司、及上海北車永電電子科技有限公司總經理。 蔡博士曾經直接參与五座IC生產工廠及一座矽片生產工廠的興建。並且從事Memory、Logic、IGBT等產品和生產工藝的研究開發、工廠管理和產品銷售等企業管理工作。在國際交流方面，蔡博士曾經親自執行技術移轉給台灣/日本/韓國合作夥伴，也曾經從德國/日本/美國合作夥伴接受技術移轉。

蔡博士曾獲得台灣新竹交通大學傑出校友及台灣十大傑出工程師的榮譽。蔡博士亦曾任職多間港台上市公司高層，包括台灣茂矽電子（台灣上市）、台灣茂德科技（台灣上市）、上海宏力半導體廠（香港上市）、寧波中緯、長沙創芯集成電路、台灣合晶材料有限公司（台灣上市）、北車永電。

集成電路(Integrated Circuit, IC)是資訊時代的根基已成共識,但國內一般仍普遍存在對這產業的不了解甚至誤解，這對其成長帶來一定的負面作用，本文希望能發揮些許科普引導作用。為便於理解，本文內容除非必要，將盡量少談產品中複雜難懂的技術細節，著重論述集成電路產業和其他製造業共通的環節，希望能讓更多的人，即便不懂技術細節，也能體會到除了產品不同之外,這個產業的經營實際上和其他製造業並沒有太大差異，以拉近同這個行業的距離。同時也希望能讓產業中只專註某一專業的專家對其從事的行業有進一步宏觀的認識。

此外，筆者也想表達自己對下述事實的看法：為什麼公認「世界工廠」的中國，儘管已有大量的投入，但是國產集成電路佔全國使用的比例仍然很低？

集成電路產業分類

依專業區分，和整個集成電路產業相關的企業可以統計如下：無工廠電路設計業(fabless design company)、掩膜版製作業、技術開發服務業、晶圓生產業（foundry）、晶元測試業、晶粒封裝業、廠房設計/施工業、動力系統設計/施工業、材料生產業（包括晶圓、靶材、化學品、氣體等）、廢棄物處理業，及支援這些企業的設備製造業、軟體開發業、分析工具開發業。當然也有一些企業同時從事數種上述專業的，如：IDM業者（Integrated Device Manufacturer，整合器件製造公司）同時從事電路設計、晶圓生產和晶元測試，有些也從事晶粒封裝。

經過多年的努力，中國這些企業已經相當齊全，只是規模大多不大，特別是核心的產品設計、技術開發、材料生產、設備製造等各企業的規模佔全球的份額仍然很低，技術能力和世界最高水平比較仍然存在較大的差距。

集成電路製造環節

上述這些企業支撐一塊集成電路「一生」從無到有，再到退出市場的全部歷程。整個歷程的順序可以分為以下環節：

• 整機生產業者依據終端用戶要求的整機產品性能，制定整機產品的規格；
• 整機設計者依據整機產品規格制定所要使用的集成電路規格；
• 電路設計者依據電路設計規格選定合適的生產工藝，並依據其對應的器件規格（device parameters）設計電路；
• 布圖（layout）專家依據生產工藝對應的布圖規格（design rule）為設計的電路布圖；
• 掩膜版製作業者依據布圖製作掩膜版；
• 有時晶圓生產者會配合客戶需要，特別修改、增減原來選定的生產工藝，是為客戶定製工藝；
• 晶圓生產業者依據確定的生產工藝生產工程試驗批(engineering lot)，供電路設計者對產品的電路設計規格做認證。必要時對電路設計、掩膜版、生產工藝等環節加以 修改，以優化產品的良品率(yield )；
• 工程試驗批的良品率和可靠性達標後,開始小批量生產給客戶組裝整機樣品,做產品應用的認證，必要時對上述環節加以修改， 以優化良品率和可靠性（reliability）；
• 整機樣品的應用認證達標後，晶圓生產者開始大批量生產，通過標準的 品質檢驗程序 後出貨給整機組裝廠組裝整機，銷售給市場的終端用戶；
• 從市場大量使用過程中得到真正的可靠性的反饋，必要時對上述環節加以修改，以優化集成電路的可靠性；
• 新產品出現，原來產品逐漸退出市場。

這其中 產品設計 和 客戶定製工藝 的開發和生產過程就是集成電路技術最核心的研發作業。一塊集成電路要能合格地被用來組裝整機在市場上流通，其研發成果都須要經過不斷的 認證，修改及優化 ，這些過程非常複雜、牽涉到的專業非常多、使用的工具非常精密和昂貴、全部花的時間合起來短則數月長則數年。其中工程試驗批主要用來驗證產品是否符合電路設計規格；小批量生產主要用來驗證可靠性是否達標。在這兩個時期產品都還在驗證過程中，嚴格說來都還不是真正意義上的商品。只有可靠性通過完整的標準檢驗程序後，才能成為可以銷售的商品。

這個過程和其他製造業開發新產品是一樣的---在成為商品大批量生產前，也同樣必須經過產品設計、生產樣品、認證、生產、出貨、客訴處理等過程，只是內容的繁簡和技術專業因產品不同而異。

集成電路製造生產設備與科技

在整個集成電路產業中，資金投入最多的是晶圓生產工廠的生產設備。一座裝備齊全有經濟規模的先進生產工廠，大概包含有四、五十種用途不同上千台的精密昂貴設備。這些設備牽涉到很多非常專業深奧的科技，下面僅對涉及到的類別做簡單介紹，具體細節暫不一一闡述：

1. 原子擴散、離子注入退火、和薄膜沉積及生長的高溫爐管；
2. 薄膜沉積、刻蝕及去除的氣態化學反應設備；
3. 表面除污、薄膜刻蝕及去除的液態化學反應槽；
4. 薄膜沉積的固態物理濺射設備；
5. 高真空、高電壓的離子注入機；
6. 精密光學成像的曝光機；
7. 精密拋光的化學機械研磨機；
8. 成像、成形後的檢驗機台；
9. 器件和產品的電性量測機台 等。

一塊集成電路「一生」從無到有,就是在這些設備之間來回反覆操作數百多次的結果。這些生產技術的科學原理都很深奧，設備的設計都很複雜精密，因此負責的工程師都必須學有專精，加上在專業上以「工匠精神」經年累月積累經驗，才能做到專業能力與時俱進不掉隊，合格地執行製造任務。

技術取得：自力更生為主，技轉、併購為輔

由於歷史的緣故，長期以來多數國人在心理上和現實上默認為技術的取得是依賴技術移轉（技轉）或併購，造成疏於自行開發技術和產品經驗的累積。

技轉和併購確實可以比較快得到技術和市場，這對於應用周期長的技術或產品或許值得，但是對於變化快的技術或產品，技轉則意味著落後。因為為了保證技轉成功量產，技術來源者提供的技術或產品一定是已經成熟量產有些時候了的，而不是還在優化並即將推出的下一代。如果技術接受方不能很快地接受、吸收、消化、創新、迎頭趕上，來源者將繼續維持領先的地位，要得到未來新的技術和產品都必須重新再談。

進一步講，技轉或併購的機會並不常有，更何況現在西方國家對中國技轉和併購的管控越來越嚴格，要靠技轉先拉近差距再圖趕上的機會已越來越不容易。因此，技術取得必須「以自力更生為主，技轉、併購為輔」！ 產品推銷:要有過往記錄（track record）證明

集成電路主要的使用者有兩類：一類是用它來組裝通用產品的整機生產廠，另外一類是有特殊應用的專業客戶。前者的產品要面對廣大的群眾，使用量龐大，發生差錯的機會大增；後者的使用量雖然小，但是產品很貴重，可靠性很關鍵。兩者都容不得差錯，否則後果都不堪設想，業界已經有很多教訓。這就是為什麼即便是國內的整機生產廠，對採用新上市的國產元器件因為還沒有長期大量在市場流通,積累足夠可信的過往記錄（track record）,仍然非常保守。然而，沒有被大量採用就無法積累可信的過往記錄，就更加不容易得到訂單! 這是典型的「先有雞還是先有蛋」的矛盾！

同樣的矛盾也發生在國產的集成電路生產設備及材料的供應者商和集成電路生產廠之間，他們也因為同樣的原因難以得到訂單，成長緩慢。

舉國力集眾智共促中國集成電路產業全方位成長

腹背受敵，中國集成電路產業砥礪前行

材料/生產設備、集成電路、整機產品，是由上到下互為上下游的三個層面。材料/生產設備是支持集成電路生產的兩大基礎產業，而集成電路是整機產品的核心器件。中國是整機生產大國，但卻是材料、生產設備和集成電路三者的生產小國。

先進國家一直以管制對中國輸出上述三者（材料、生產設備和集成電路）的鬆緊為手段，來限制中國整個集成電路乃至高科技產業的成長：有時候放鬆一點，讓中國比較容易取得，以弱化自行發展的意志和動力，繼續拉大能力的差距；有時候調節銷售數量，即控制產業成長的速度又維持使用者採購的渴望。這種外在的管制，使中國整個集成電路製造業（包括材料、生產設備、集成電路）在不知不覺中被削弱了！雪上加霜地，上述來自內部的「雞/蛋」矛盾使削弱又進一步加重！所以說中國整個集成電路產業的成長長期以來受困於腹背受敵！

異軍突起，新能源產業開啟雙贏模式

幸運的是，最近幾年來因為同是半導體的太陽能和LED照明的生產工廠在全國各地遍地開花。這兩個新能源產業對原材料和生產設備的需求量很大，而規格要求比集成電路製造相對寬鬆，使得國產材料和生產設備產業不但得到很多意想不到的生意，企業營業額大幅度成長，量和質都得到很大的提升，更因此有機會能夠積累大量的量產過往記錄，增加集成電路生產者採購的信心。

雖然大家都知道太陽能和LED照明兩產業本身目前的經營都還很慘淡，卻帶動了周邊的配套產業，也間接對集成電路製造的兩大基礎產業的成長產生了良性「副作用」。這是因為中國市場的體量天生巨大，不但有能力吸收新進產業本身的成長成本，更可以善用其新需求，讓其他相關產業受惠。

創新思維：建設「共享」示範工廠

就生產半導體晶元的材料和設備對技術要求的嚴格程度而言，生產太陽能和LED照明晶元的要求最寬鬆，然後要求越來越嚴格的順序依次是集成電路產業的六英寸，再來是八英寸，再其次是早期的十二英寸生產，最後是最先進的十二英寸生產最嚴格。

中國集成電路兩大基礎產業，材料和設備產業，固然因為兩個新能源產業過去的蓬勃發展，初步舒緩了取得量產過往記錄和銷售的矛盾。但是兩者技術層次比較低，因此必須考慮到建立在技術層次更高的各種尺寸的集成電路生產廠，以從中積累真正屬於集成電路的量產過往記錄---踏踏實實地補上我們和世界先進公司相比落下的功課。

過去就是因為太陽能和LED照明企業在全國各地遍地開花，大量的建設才能有機會積累大量的量產過往記錄。要從真正使用生產集成電路的設備和材料的工廠中得到充分的過往記錄，也必須有大量的集成電路生產工廠。

為達到這個目的，而且不影響正在生產的現成工廠，作者提出由政府或業界共同投資建設一些以使用各種尺寸的國產設備和材料為原則的產業示範工廠的想法。在這些工廠里，國內所有設備和材料企業可以把自己開發中的、試用中的、銷售中的設備產品都集中到這裡來，從市場上補以國產還沒有的二手設備，組成一條完整的生產線。在這裡，靈活安排並同時進行這些設備和材料的開發、改良、生產、認證、展示、銷售於集成電路生產之中，同時也利用這些設備做代工生產業務，實際使用這些設備。這是一個產業資源整合的，兼具生產與示範功能的量產工廠。客戶可自由參觀工廠，根據自身實際生產情況來從線上進行設備的評估採購。這個工廠既能夠收集大量產品廠內國產設備的過往記錄，又節省了設備引入使用企業前的現場驗證過程，間接減少了彼此的經營成本。在這個共享經濟時代，集成電路行業的發展理念也應該與時俱進，這樣的一種發展模式也可以理解為此行業的「共享」發展模式，具體細節將會在後續文章中詳細闡述。

市場是考驗研發成果實用性的唯一標準

常常在媒體上看到部分專業人員急功近利，弄虛作假，其成果不真或無法商業化，貽誤產業發展進程。所幸經過這幾年來中國產業逐漸升級，產品研發、生產的管控也日趨嚴謹，雖然有些不必經過市場考驗的專業的研發成果仍然存在抄襲作假的事實，幸好為商業用途而完成的開發成果，因為不但在開發過程中要經過前述的層層認證，而且最後更要受到市場接受創造業績的考驗，能通過的必然是貨真價實的。

總而言之，集成電路產業雖然涉及的專業廣泛且複雜，但是開發新產品和經營與一般製造業並無二致，都要經過規格制定、產品設計、生產、認證等環節，有經驗的製造業者，在學有專精的專業人才協助下都能經營。

為了趕超全球先進的材料和生產設備企業，本文斗膽拋磚引玉，倡議建設以「共享」模式的示範工廠整合產業資源，兼具量產與示範功能，來快速積累產品的量產過往記錄，增強使用者有採用國產新產品的信心。

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