台積電的活字印刷術

一言以蔽之:晶圓代工就是IC設計業的活字印刷術。

IC

在宋代著名科學家沈括的《夢溪筆談》中,記錄衣布發明家畢升用黏土製成字模,發明了膠泥活字印刷術,取代了原本的雕版印刷術。中國溫州發現的《佛說觀無量壽佛經》(1103年)是現存最早的活字印刷品,而韓國清州印製的《白雲和尙抄錄佛祖直指心體要節》(1377年)則是現存最早金屬活字本。不過這二個地方的印刷術均沒有大量展開,真正有工業化意義的是德國美茵茨印刷的《古騰堡聖經》(1454年),這個量產技術開啟了資訊的普及。

在IC產業中,晶圓代工就是活字印刷術,其中standard cell library就是活字。foundry會設計好該製程的standard cell,提供給fabless的IC設計公司,IC設計工程師利用標準單元庫將RTL code合成(synthesis, place&route)出來,形成的gate level,最後就可以量產了。

之所以會有晶圓代工的需求,是因為建造一間晶圓廠所需要的經費高到一般公司無法負荷,IC設計公司透過代工與晶圓廠合作,就可以專注於電路設計與研發,而晶圓廠也可以專注於製程的開發。

台積電是第一家做晶圓代工的公司,雖然聯電成立得比台積電早,但1995年後聯電才轉型為晶圓代工,並陸續將旗下設計部門切分出去,而成立了聯發科、聯詠、聯陽……等聯字輩設計公司。

台積電並不是唯一一家做晶圓代工的公司,全球有不少晶圓代工廠,然而根據TrendForce的調查數據,前十大晶圓代工業者營收排名如下表,可以看出台積電遙遙領先其他業者。

排序公司2022 Q4 市佔率2022 Q3 市佔率
1台積電(TSMC)58.5%56.1%
2三星(Samsung)15.8%15.5%
3聯電(UMC)6.3%6.9%
4格芯(GlobalFoundries)6.2%5.8%
5中芯(SMIC)4.7%5.3%
6華虹(HuaHong)2.6%3.3%
7力積電(PSMC)1.2%1.6%
8高塔(Tower)1.2%1.2%
9世界先進(VIS)0.9%1.2%
10東部(DB HiTek)0.9%0.9%
Reference: TrendForce

歷史上,我們看過Intel、IBM、Samsung……等在IEDM(國際電子元件會議)率先發表許多新製程技術,這些公司的技術能力都沒有比台積電差,但為什麼其他公司都不能像台積電做得那樣好?下面這二則報導都指出,問題在於「良率」。量產得要不斷地投入研發資源去調整每個步驟,才能把每一道工藝都發揮到極致。

一位跨國產業分析師推估,當前台積電3奈米的製程良率,可能約落在75%-80%,前期就有這樣的進展,很厲害。知情人士表示,三星3奈米良率實際上不到20%,由於製程環節繁複,有時可多達1000道步驟,要改善良率並非易事。

台積電3奈米「近8成良率」狠甩三星!良率提升關鍵,藏在1000道魔鬼細節裡(2023/01/07@數位時代)

南韓大廠三星2022年6月底搶先宣布3奈米晶片投入量產,但隨後爆出因良率太低而乏人問津,韓媒則指出,三星在生產3奈米製程晶片時面臨困難,主因在於半導體領域人才短缺,三星沒有足夠的研發人力。

贏不了台積電!三星搶快量產3奈米,韓媒揭1代價太慘痛(2023/02/07@中時新聞網)

舉例來說,在古代的舊製程,在layout圖上畫一個正方形,silicon出來就是一個正方形。到了現代的先進製程,在layout圖上畫一個正方形,silicon出來會變成一個圓形,所以製程廠不能再按照IC設計公司的正方形layout來做光罩,而是要做成四角凸出形,這是利用OPC來修正光的繞射。除了這個微影的例子以外,離子佈植、沉積、蝕刻、研磨……等,各道手續都是精密得很。因此,台積電也是累積許多年來努力,才能有今天的好成績。