台积电用一流人才做二流工作?

2021-02-10 12:36:49 来源:EETOP
日前有中国台湾大学教授认为,台积电成功是否来自于聘雇岛内一流人才,做二流的工作?引发广大回响。作者整合专业背景及周遭友人观点,认为早期的台积电确实让高手做二流工作,但国外有其特殊产业背景,台积电就是专注于看似基本的工作,才能在累积20年研发实力后,一举超越英特尔

台湾媒体《风传媒》引述该大学教授的话报导:从“全球车用芯片荒”看台湾的两难:台湾地区清华、交大一流人才做二流工作堆起台积电成功,对台湾是种损失?文中引述:如果一粒麦子不死,就不会生出更多的麦子。芬兰诺基亚失败之后,释放出的人力造成芬兰新创事业大为发达;加拿大黑莓失败之后,也促成加拿大滑铁卢周边的新创产业圈。台湾将这么多一流人才放到台积电做二流工作,对于社会整体是否会是损失?该教授在脸书上没有给答案,那么我来给大家答案:是也不是。

以下文章来自《风传媒》  作者:曲建仲

是也不是?废话,给这种答案,有等于没有。别急别急,听我慢慢道来。如果大家不了解台积电在做什么,又如何能够理解我的意思呢?因此想要深刻了解这个问题的答案,就必须先了解,到底这些台清交一流人才在台积电都做些什么工作?我来举一个例子,让大家也做一回台积电的工程师吧! 

什么是集成电路(IC:IntegratedCircuit)?

将电的主动元件(二极体、晶体管)与被动元件(电阻、电容、电感)缩小以后,制作在硅晶圆或砷化镓晶圆上,称为“集成电路(IC:Integrated Circuit )”,其中“堆积(Integrated)”与“电路(Circuit)”是指将许多电子元件堆积起来的意思。

将电子产品打开以后可以看到印刷电路板(PCB:Printed Circuit Board)如图一所示,上面有许多长得很像“蜈蚣”的集成电路(IC),集成电路的尺寸有大有小,我们以处理器为例边长大约20毫米(mm),上面一小块正方形称为“芯片(Chip)”或“晶粒(Die)”,芯片边长大约10毫米(mm),芯片上面密密麻麻的元件称为“晶体管(Transistor)”,晶体管边长大约100纳米(nm),而晶体管上面尺寸最小的结构称为“栅极长度(Gate length)”大约10纳米( nm),这个就是我们常听到的台积电“10纳米制程”。

图一由晶体管(Transistor)组成芯片(Chip)再封装成集成电路(IC)

什么是场效晶体管(FET:Field Effect Transistor)?

晶体管的种类很多,先从大家耳熟能详的“MOS”来说明。MOS的全名是“金属—氧化物—半导体场效晶体管(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor)”,构造如图二所示,左边灰色的区域叫做“源极(Source)”,右边灰色的区域叫做“漏极(Drain)”,中间有块金属(红色)突出来叫做“栅极(Gate)”,栅极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),因为中间由上而下依序为金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为“MOS”。

图二金属—氧化物—半导体场效晶体管(MOSFET)的结构与工作原理。资料来源:曲博科技教室。

MOSFET的工作原理很简单,电子由左边的源极流入,经过栅极下方的电子通道,由右边的漏极流出,中间的栅极则可以决定是否让电子由下方通过,有点像是水龙头的开关一样,因此称为“闸”;电子是由源极流入,也就是电子的来源,因此称为“源”;电子是由漏极流出,看看说文解字里的介绍:汲者,引水于井也,也就是由这里取出电子,因此称为“汲”。

➤当栅极不加电压,电子无法导通,代表这个元件处于“关(OFF)”的状态,我们可以想像成这个位元是0,如图二(a)所示;

➤当栅极加正电压,电子可以导通,代表这个元件处于“开(ON)”的状态,我们可以想像成这个位元是1,如图二(b)所示。

MOSFET是目前半导体产业最常使用的一种场效晶体管(FET),科学家将它制作在硅晶圆上,是数字信号的最小单位,我们可以想像一个MOSFET代表一个0或一个1,就是电脑里的一个“位元(bit)”。电脑是以0与1两种数位信号来运算,我们可以想像在硅芯片上有数十亿个MOSFET,就代表数十亿个0与1,再用金属导线将这数十亿个MOSFET的源极、漏极、栅极连结起来,电子信号在这数十亿个0与1之间流通就可以交互运算,最后得到使用者想要的加、减、乘、除运算结果,这就是电子计算机的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电,就是在硅晶圆上制作数十亿个MOSFET的工厂。

栅极长度:半导体制程进步的关键

在图二的MOSFET 中,“栅极长度(Gate length)”大约10纳米,是所有构造中最细小也最难制作的,因此我们常常以栅极长度来代表半导体制程的进步程度,这就是所谓的“制程节点(Node)”。栅极长度会随制程技术的进步而变小,从早期的0.18、0.13微米,进步到90、65、45、22、14纳米,到目前最新的制程10、7、5纳米,甚至3纳米。当栅极长度越小,则整个MOSFET就越小,而同样含有数十亿个MOSFET的芯片就越小,封装以后的集成电路(IC)就越小,最后做出来的手机就越小啰!

10纳米到底有多小呢?细菌大约1微米,病毒大约100纳米,换句话说,人类现在的制程技术可以制作出只有病毒1/10(10纳米)的结构,厉害吧!

化学机械研磨(CMP)的工作原理

由于芯片内的晶体管越来越多,制程节点越来越小,芯片面积越来越小,要把数十亿个晶体管的源极、栅极、漏极连接起来必须使用多层导线,如图三所示的第一层金属(M1)、第二层金属(M2)......,而多层导线中的每一层金属都必须先把表面磨平才能再堆叠上面一层,因此必须使用“化学机械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)”来将各层金属表面“磨平”,这个原理很简单但是很重要,成为先进制程成败的重要关键之一。

值得注意的是,图中金属和金属之间并不是空心的(否则芯片掉地上金属导线就垮掉了),而是一种低介电常数(Low K)的绝缘材料,一般是使用塑胶(聚合物),为了拍出这张电子显微镜照片,科学家先用化学药品溶解塑胶所以看起来是空心的。

图三集成电路的多层导线示意图。资料来源:联华电子。

化学机械研磨(CMP)的原理非常简单,大家一定都看过铜油去擦铜器(例如:铜扣、铜环等),会使铜器表面变得闪亮亮像镜子一样,为什么这些铜制品擦过铜油以后表面就会闪亮亮呢?铜器用久了会与空气中的氧反应形成铜锈,铜锈其实就是“氧化铜”,会造成铜器表面粗糙不光滑,而铜油基本上是由“粉”与“油”组成,“粉”通常是硬度较高的陶瓷(金属氧化物)粉末,它的功能是与铜器表面磨擦而将铜器表面的铜锈刮除,但是在磨擦的过程中必须有“油”来润滑,这种方式没有化学反应产生,主要是利用“机械”方式来回不停反覆所造成。

在化学机械研磨(CMP)中除了机械方式,通常还会加入一些化学药品来与硅晶圆产生化学反应,以缩短晶圆表面研磨平坦所需要的时间,这种方式结合“化学”与“机械”原理,故称为“化学机械研磨”。研磨时所使用的原料称为“浆料(Slurry)”,主要是由粉与水组成,“粉”是硬度较高的陶瓷粉末,它的功能是与晶圆表面磨擦而将凸出来的部分磨平;“水”通常含有化学药品,它的功能是润滑与侵蚀晶圆表面,将晶圆表面磨平。

化学机械研磨(CMP)的制程参数

化学机械研磨所使用的设备如图四所示,先将硅晶圆“正面朝下”,吸附在晶圆基座的下方,同时在橡胶垫上注入“浆料(Slurry)”,浆料在硅晶圆与橡胶垫之间,由晶圆基座施加压力向下并且高速旋转,使硅晶圆表面受到浆料与橡胶垫的磨擦而变平坦,这个原理够简单吧!别小看这台不起眼的设备,图四那样一台12寸晶圆先进制程所使用的化学机械研磨机大约新台币1亿元,怎么样,吓到了吧!

假设你是台积电的研发工程师,主管要求你用这台机器把12寸晶圆的表面磨平,那么你能调整的“制程参数”有哪些呢?所谓的制程参数是指调整那些变数可以达到工程目标,看看图四大家应该也猜得出来,就是晶圆基座向下的压力、橡胶垫的旋转速度、橡胶垫的硬度、浆料的种类与浓度、浆料的流速、反应的温度和湿度,大概就这些了吧!看到这里,你是不是也觉得可以去台积电当工程师了呢?

 

图四化学机械研磨(CMP)的设备与制程参数

早期的台积电的确“是”一流人才做二流工作

我在读硕士时认识了一位优秀的学长,他是材料专家,我们实验室里的第一个氢能反应器和控制程序是由他一个人设计组装完成,2000年他博士毕业后进入台积电工作,当年台积电量产的是8寸晶圆0.18微米制程,他进入台积电12寸晶圆0.13微米先进制程研发部门,负责的就是化学机械研磨(CMP),成功开发顺利量产,有一回他和我聊天说自己每天的工作就是“开关水龙头”,意思是控制浆料的流量把晶圆磨平,同时也提到自己是这个部门学历最低的人,未来要升迁可能不容易。

我听了不敢相信,台湾清化大学材料博士是这个部门学历最低的人,我好奇的问:那你的同事都是什么来历?他不急不徐的回答:一位是麻省理工学院(MIT)机械博士,另外还有斯坦福大学(Stanford)、剑桥大学(Cambridge)材料博士,哦!还有一位是哈佛大学(Harvard)化学博士......,我立刻打断他:好了!好了!你别说了,我相信你是这个部门学历最低的人。当年这个部门的高学历虽然未必是所有部门的状况,但是由此可见台积电对一流人才的吸引力。

在美国,拥有这些学历的人会去FAAMG (Facebook/Apple/Amazon/Microsoft/Google),做动脑筋的设计工作,制造业的工作通常不是他们的首选,而台积电做的是晶圆代工,本质上就是制造业,因此确实有人认为台积电是用台湾清、交一流人才做二流工作,某种程度来说这是对的,因此我说:是,至少早期的台积电是这样,而且不只台清交,连美国长春藤名校的博士都做同样的工作。

现在的晶圆代工已经“不是”二流工作了!

随着时间的演进,目前的晶圆制造已经逼近物理极限,制程越先进复杂度越高,前面提到的化学机械研磨(CMP)是晶圆厂里比较简单的制程,大家听起来会觉得这种东西不是找个大学毕业生就可以做了?但是再想想,如果要把12寸晶圆的表面磨平,而且整片晶圆的表面平坦度必须满足正负1纳米的误差,大约10颗原子的大小,而且金属是硬的,塑胶是软的,两种不同性质的材料要一起研磨,怎么样,没有想像的简单吧!

此外,先进制程里还有其他技术例如:光刻、薄膜成长、蚀刻、掺杂是更复杂的,而且未来发展到“埃米制程”材料的量子效应越来越明显要如何克服?(备注:埃米制程是指“次纳米制程”,也就是制程节点小于1纳米。)因此在先进制程的时代,我们已经不能再说现在的台积电做的是二流工作了!因此我说:不是。事实上就是因为这些一流的人才造就了今天的台积电,能够超越英特尔、三星成为世界第一,而英特尔这样的科技巨人,或许正因为在美国职场的吸引力比不上FAAMG,最后才败阵下来。

产业发展必须因地制宜,不能好高骛远

台积电是“先进的”制造业,因为毛利高因此在台湾薪资待遇好,能够请的起这些优秀的博士、硕士,那么教授的问题:台湾将这么多一流人才放到台积电做二流工作,对于社会整体是否会是损失?我认为不会,台湾地区有那样的环境去造就本土的FAAMG这种公司吗?如果没有,那将这些人才释放到其他领域又有什么用呢?

台湾的内需市场很小,我们很难有那样的环境去造就FAAMG这种公司,我们也不该好高骛远想要一步登天去造就这种公司,相反的,我们把人才用在最适合我们环境,才会造就出成功的企业,今天回头看这是个正确的决定。

最后,大家都谈台积电的强项,却不谈它的弱点,台积电有三大弱点,或者应该说是台湾半导体产业共同的弱点:先进制程所使用的材料与特用化学品大部分是进口的;先进制程所使用的制程设备大部分是进口的;先进的存储器制程落后三星。因此台积电在先进制程领先全球之后,中国台湾应该利用这个机会进行产业升级,培植相关的半导体供应链,包括先进制程所使用的材料、特用化学品、制程设备研发等,这样优秀的人才就有地方发挥!

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