蔡南雄：中国的集成电路制造业三两谈
2017-08-23
蔡南雄博士曾经在美国矽谷Intel和Fairchild担任IC工艺开发工程师。从1983年起，蔡博士先后合伙创办了台湾茂矽电子公司、江苏无锡华晶上华半导体公司、台湾合晶材料有限公司、浙江宁波中纬集成电路以及长沙创芯集成电路有限公司，负责各项专业工作，以及担任总经理和董事长职务；也曾担任过香港华智半导体公司、台湾茂德电子公司、上海宏力半导体公司、及上海北车永电电子科技有限公司总经理。
蔡博士曾经直接参与五座IC生产工厂及一座矽片生产工厂的兴建。并且从事Memory、Logic、IGBT等产品和生产工艺的研究开发、工厂管理和产品销售等企业管理工作。在国际交流方面，蔡博士曾经亲自执行技术移转给台湾/日本/韩国合作伙伴，也曾经从德国/日本/美国合作伙伴接受技术移转。
蔡博士曾获得台湾新竹交通大学杰出校友及台湾十大杰出工程师的荣誉。蔡博士亦曾任职多间港台上市公司高层，包括台湾茂矽电子（台湾上市）、台湾茂德科技（台湾上市）、上海宏力半导体厂（香港上市）、宁波中纬、长沙创芯集成电路、台湾合晶材料有限公司（台湾上市）、北车永电。
集成电路(Integrated Circuit, IC)是资讯时代的根基已成共识,但国内一般仍普遍存在对这产业的不了解甚至误解，这对其成长带来一定的负面作用，本文希望能发挥些许科普引导作用。为便于理解，本文内容除非必要，将尽量少谈产品中复杂难懂的技术细节，着重论述集成电路产业和其他制造业共通的环节，希望能让更多的人，即便不懂技术细节，也能体会到除了产品不同之外,这个产业的经营实际上和其他制造业并没有太大差异，以拉近同这个行业的距离。同时也希望能让产业中只专注某一专业的专家对其从事的行业有进一步宏观的认识。
此外，笔者也想表达自己对下述事实的看法：为什么公认“世界工厂”的中国，尽管已有大量的投入，但是国产集成电路占全国使用的比例仍然很低？
蔡博士曾经直接参与五座IC生产工厂及一座矽片生产工厂的兴建。并且从事Memory、Logic、IGBT等产品和生产工艺的研究开发、工厂管理和产品销售等企业管理工作。在国际交流方面，蔡博士曾经亲自执行技术移转给台湾/日本/韩国合作伙伴，也曾经从德国/日本/美国合作伙伴接受技术移转。
蔡博士曾获得台湾新竹交通大学杰出校友及台湾十大杰出工程师的荣誉。蔡博士亦曾任职多间港台上市公司高层，包括台湾茂矽电子（台湾上市）、台湾茂德科技（台湾上市）、上海宏力半导体厂（香港上市）、宁波中纬、长沙创芯集成电路、台湾合晶材料有限公司（台湾上市）、北车永电。
集成电路(Integrated Circuit, IC)是资讯时代的根基已成共识,但国内一般仍普遍存在对这产业的不了解甚至误解，这对其成长带来一定的负面作用，本文希望能发挥些许科普引导作用。为便于理解，本文内容除非必要，将尽量少谈产品中复杂难懂的技术细节，着重论述集成电路产业和其他制造业共通的环节，希望能让更多的人，即便不懂技术细节，也能体会到除了产品不同之外,这个产业的经营实际上和其他制造业并没有太大差异，以拉近同这个行业的距离。同时也希望能让产业中只专注某一专业的专家对其从事的行业有进一步宏观的认识。
此外，笔者也想表达自己对下述事实的看法：为什么公认“世界工厂”的中国，尽管已有大量的投入，但是国产集成电路占全国使用的比例仍然很低？
依专业区分，和整个集成电路产业相关的企业可以统计如下：无工厂电路设计业(fabless design company)、掩膜版制作业、技术开发服务业、晶圆生产业（foundry）、芯片测试业、晶粒封装业、厂房设计/施工业、动力系统设计/施工业、材料生产业（包括晶圆、靶材、化学品、气体等）、废弃物处理业，及支援这些企业的设备制造业、软件开发业、分析工具开发业。当然也有一些企业同时从事数种上述专业的，如：IDM业者（Integrated Device Manufacturer，整合器件制造公司）同时从事电路设计、晶圆生产和芯片测试，有些也从事晶粒封装。
经过多年的努力，中国这些企业已经相当齐全，只是规模大多不大，特别是核心的产品设计、技术开发、材料生产、设备制造等各企业的规模占全球的份额仍然很低，技术能力和世界最高水平比较仍然存在较大的差距。
上述这些企业支撑一块集成电路“一生”从无到有，再到退出市场的全部历程。整个历程的顺序可以分为以下环节：
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整机生产业者依据终端用户要求的整机产品性能，制定整机产品的规格；
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整机设计者依据整机产品规格制定所要使用的集成电路规格；
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电路设计者依据电路设计规格选定合适的生产工艺，并依据其对应的器件规格（device parameters）设计电路；
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布图（layout）专家依据生产工艺对应的布图规格（design rule）为设计的电路布图；
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掩膜版制作业者依据布图制作掩膜版；
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有时晶圆生产者会配合客户需要，特别修改、增减原来选定的生产工艺，是为客户定制工艺；
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晶圆生产业者依据确定的生产工艺生产工程试验批(engineering lot)，供电路设计者对产品的电路设计规格做认证。必要时对电路设计、掩膜版、生产工艺等环节加以修改，以优化产品的良品率(yield)；
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工程试验批的良品率和可靠性达标后,开始小批量生产给客户组装整机样品,做产品应用的认证，必要时对上述环节加以修改，以优化良品率和可靠性（reliability）；
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整机样品的应用认证达标后，晶圆生产者开始大批量生产，通过标准的品质检验程序后出货给整机组装厂组装整机，销售给市场的终端用户；
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从市场大量使用过程中得到真正的可靠性的反馈，必要时对上述环节加以修改，以优化集成电路的可靠性；
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新产品出现，原来产品逐渐退出市场。
这其中产品设计和客户定制工艺的开发和生产过程就是集成电路技术最核心的研发作业。一块集成电路要能合格地被用来组装整机在市场上流通，其研发成果都须要经过不断的认证，修改及优化，这些过程非常复杂、牵涉到的专业非常多、使用的工具非常精密和昂贵、全部花的时间合起来短则数月长则数年。其中工程试验批主要用来验证产品是否符合电路设计规格；小批量生产主要用来验证可靠性是否达标。在这两个时期产品都还在验证过程中，严格说来都还不是真正意义上的商品。只有可靠性通过完整的标准检验程序后，才能成为可以销售的商品。
这个过程和其他制造业开发新产品是一样的---在成为商品大批量生产前，也同样必须经过产品设计、生产样品、认证、生产、出货、客诉处理等过程，只是内容的繁简和技术专业因产品不同而异。
在整个集成电路产业中，资金投入最多的是晶圆生产工厂的生产设备。一座装备齐全有经济规模的先进生产工厂，大概包含有四、五十种用途不同上千台的精密昂贵设备。这些设备牵涉到很多非常专业深奥的科技，下面仅对涉及到的类别做简单介绍，具体细节暂不一一阐述：
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原子扩散、离子注入退火、和薄膜沉积及生长的高温炉管；
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薄膜沉积、刻蝕及去除的气态化学反应设备；
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表面除污、薄膜刻蝕及去除的液态化学反应槽；
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薄膜沉积的固态物理溅射设备；
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高真空、高电压的离子注入机；
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精密光学成像的曝光机；
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精密抛光的化学机械研磨机；
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成像、成形后的检验机台；
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器件和产品的电性量测机台 等。
一块集成电路“一生”从无到有,就是在这些设备之间来回反复操作数百多次的结果。这些生产技术的科学原理都很深奥，设备的设计都很复杂精密，因此负责的工程师都必须学有专精，加上在专业上以“工匠精神”经年累月积累经验，才能做到专业能力与时俱进不掉队，合格地执行制造任务。
由于历史的缘故，长期以来多数国人在心理上和现实上默认为技术的取得是依赖技术移转（技转）或并购，造成疏于自行开发技术和产品经验的累积。
技转和并购确实可以比较快得到技术和市场，这对于应用周期长的技术或产品或许值得，但是对于变化快的技术或产品，技转则意味着落后。因为为了保证技转成功量产，技术来源者提供的技术或产品一定是已经成熟量产有些时候了的，而不是还在优化并即将推出的下一代。如果技术接受方不能很快地接受、吸收、消化、创新、迎头赶上，来源者将继续维持领先的地位，要得到未来新的技术和产品都必须重新再谈。
进一步讲，技转或并购的机会并不常有，更何况现在西方国家对中国技转和并购的管控越来越严格，要靠技转先拉近差距再图赶上的机会已越来越不容易。因此，技术取得必须“以自力更生为主，技转、并购为辅”！
集成电路主要的使用者有两类：一类是用它来组装通用产品的整机生产厂，另外一类是有特殊应用的专业客户。前者的产品要面对广大的群众，使用量庞大，发生差错的机会大增；后者的使用量虽然小，但是产品很贵重，可靠性很关键。两者都容不得差错，否则后果都不堪设想，业界已经有很多教训。这就是为什么即便是国内的整机生产厂，对采用新上市的国产元器件因为还没有长期大量在市场流通,积累足够可信的过往记录（track record）,仍然非常保守。然而，没有被大量采用就无法积累可信的过往记录，就更加不容易得到订单! 这是典型的“先有鸡还是先有蛋”的矛盾！
同样的矛盾也发生在国产的集成电路生产设备及材料的供应者商和集成电路生产厂之间，他们也因为同样的原因难以得到订单，成长缓慢。
材料/生产设备、集成电路、整机产品，是由上到下互为上下游的三个层面。材料/生产设备是支持集成电路生产的两大基础产业，而集成电路是整机产品的核心器件。中国是整机生产大国，但却是材料、生产设备和集成电路三者的生产小国。
先进国家一直以管制对中国输出上述三者（材料、生产设备和集成电路）的松紧为手段，来限制中国整个集成电路乃至高科技产业的成长：有时候放松一点，让中国比较容易取得，以弱化自行发展的意志和动力，继续拉大能力的差距；有时候调节销售数量，即控制产业成长的速度又维持使用者采购的渴望。这种外在的管制，使中国整个集成电路制造业（包括材料、生产设备、集成电路）在不知不觉中被削弱了！雪上加霜地，上述来自内部的“鸡/蛋”矛盾使削弱又进一步加重！所以说中国整个集成电路产业的成长长期以来受困于腹背受敌！
幸运的是，最近几年来因为同是半导体的太阳能和LED照明的生产工厂在全国各地遍地开花。这两个新能源产业对原材料和生产设备的需求量很大，而规格要求比集成电路制造相对宽松，使得国产材料和生产设备产业不但得到很多意想不到的生意，企业营业额大幅度成长，量和质都得到很大的提升，更因此有机会能够积累大量的量产过往记录，增加集成电路生产者采购的信心。
虽然大家都知道太阳能和LED照明两产业本身目前的经营都还很惨淡，却带动了周边的配套产业，也间接对集成电路制造的两大基础产业的成长产生了良性“副作用”。这是因为中国市场的体量天生巨大，不但有能力吸收新进产业本身的成长成本，更可以善用其新需求，让其他相关产业受惠。
就生产半导体芯片的材料和设备对技术要求的严格程度而言，生产太阳能和LED照明芯片的要求最宽松，然后要求越来越严格的顺序依次是集成电路产业的六英寸，再来是八英寸，再其次是早期的十二英寸生产，最后是最先进的十二英寸生产最严格。
中国集成电路两大基础产业，材料和设备产业，固然因为两个新能源产业过去的蓬勃发展，初步舒缓了取得量产过往记录和销售的矛盾。但是两者技术层次比较低，因此必须考虑到建立在技术层次更高的各种尺寸的集成电路生产厂，以从中积累真正属于集成电路的量产过往记录---踏踏实实地补上我们和世界先进公司相比落下的功课。
过去就是因为太阳能和LED照明企业在全国各地遍地开花，大量的建设才能有机会积累大量的量产过往记录。要从真正使用生产集成电路的设备和材料的工厂中得到充分的过往记录，也必须有大量的集成电路生产工厂。
为达到这个目的，而且不影响正在生产的现成工厂，作者提出由政府或业界共同投资建设一些以使用各种尺寸的国产设备和材料为原则的产业示范工厂的想法。在这些工厂里，国内所有设备和材料企业可以把自己开发中的、试用中的、销售中的设备产品都集中到这里来，从市场上补以国产还没有的二手设备，组成一条完整的生产线。在这里，灵活安排并同时进行这些设备和材料的开发、改良、生产、认证、展示、销售于集成电路生产之中，同时也利用这些设备做代工生产业务，实际使用这些设备。这是一个产业资源整合的，兼具生产与示范功能的量产工厂。客户可自由参观工厂，根据自身实际生产情况来从线上进行设备的评估采购。这个工厂既能够收集大量产品厂内国产设备的过往记录，又节省了设备引入使用企业前的现场验证过程，间接减少了彼此的经营成本。在这个共享经济时代，集成电路行业的发展理念也应该与时俱进，这样的一种发展模式也可以理解为此行业的“共享”发展模式，具体细节将会在后续文章中详细阐述。
常常在媒体上看到部分专业人员急功近利，弄虚作假，其成果不真或无法商业化，贻误产业发展进程。所幸经过这几年来中国产业逐渐升级，产品研发、生产的管控也日趋严谨，虽然有些不必经过市场考验的专业的研发成果仍然存在抄袭作假的事实，幸好为商业用途而完成的开发成果，因为不但在开发过程中要经过前述的层层认证，而且最后更要受到市场接受创造业绩的考验，能通过的必然是货真价实的。
总而言之，集成电路产业虽然涉及的专业广泛且复杂，但是开发新产品和经营与一般制造业并无二致，都要经过规格制定、产品设计、生产、认证等环节，有经验的制造业者，在学有专精的专业人才协助下都能经营。
为了赶超全球先进的材料和生产设备企业，本文斗胆抛砖引玉，倡议建设以“共享”模式的示范工厂整合产业资源，兼具量产与示范功能，来快速积累产品的量产过往记录，增强使用者有采用国产新产品的信心。
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责任编辑：蔡南雄
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