臺積電成功背後:臺灣半導體材料的迅速崛起

2021-01-14 工業智能化

在臺積電、美光等半導體廠投資帶動下,臺灣半導體材料產業近年蓬勃發展,連續9年都是全球最大半導體材料市場。

本刊採訪發現,在這個新的千億商機下,有一群臺灣的隱形冠軍,正靠半導體市場穩穩獲利。今年上半年,臺積電新廠推進的速度,愈來愈快,這將是臺灣半導體材料的大商機。3月6日,南科18廠四期FAB棟正式動工,南科30公頃的基地,比臺北中正紀念堂還大,這裡將成為臺積電3納米製程的重要據點。5月12日,臺積電董事會批准經費將在苗慄竹南設先進封測廠,總投資金額上看3000億元臺幣。5月15日,臺積電公告,有意在美國設立5納米新廠,投資金額也上看3600億元臺幣。臺積電董事長劉德音6月9日在股東會後的記者會透露,會找下遊廠商一起赴美,例如製程化學品、特殊氣體等高精密材料,讓臺廠產業可以往新市場發展。臺積電還幫協力廠談好了條件,臺積電享有的土地、補助等優惠,上遊廠商也會有同樣待遇。只待美國「半導體振興法案(CHIPS Act)」過關,美國補助款到位,不僅臺積電在美國新廠能獲利,上遊材料廠也能跟著到美國打「大聯盟」擴張版圖。


過去,半導體材料被認為是歐美日商的天下,這一次,劉德音說要帶臺灣材料供應鏈出島,這揭開了臺積電布局多年的秘密:過去幾年,臺積電不斷培養本土供應鏈,把臺積電的know-how「藏」在材料裡;除了用這些材料提升良率,臺積電還攜手臺廠,用臺灣供應鏈共同開發綠色製程,逐步換掉具有毒性的半導體材料,或是回收材料再利用,降低有毒材料用量。這也就是為什麼,臺積電到半導體龍頭英特爾廠區旁設廠,還要大費周章帶臺灣供應鏈過去的原因之一。可以說,少了這些臺灣半導體材料公司,臺積電也難有這麼高的獲利,這裡面有許多早已是全亞洲知名的公司。早在2019年1月臺積電發生「光阻液事件」,損失數億美元後,已意識到先進位程不只靠臺積電自己的技術才能完成,半導體材料品質的精進更為關鍵。去年底,臺積電品質暨可靠性組織長何軍在供應鏈論壇上,以「供應鏈合作的新紀元」為題演講。他打出一連串的投影片解析,「材料將是摩爾定律的推進者」,當微縮製程將線路愈做愈細,「舊的材料已變成新的風險」。如果把線路寬度比喻成馬路,過去製造的線路寬度有如大馬路,一輛小汽車卡在路中間還不會塞車,但現在製造的線路寬度和過去相比,有如鄉間小道,甚至像水溝般大小,同樣一輛車,會讓路線完全堵住,材料裡過去尚能容忍的「雜質」,就像拋錨的汽車,成了必須嚴格管控的品質殺手,臺積電對半導體材料的品質要求大幅提高。


就連水都要重新被檢視!臺積電用於先進位程,是特殊處理過的超純水,水中金屬離子數量低到幾乎不導電,但何軍打出一張投影片顯示,在電子顯微鏡下,原本應該平整的晶圓表面上附著了一顆金屬粒子,「水的品質不確定,就意味著風險」。一位產業人士觀察,「以前談材料的檢驗標準,單位是PPM(百萬分之1),現在是PPB(10億分之1),以後會是PPT(1兆分之1)」,為了確定送給臺積電的材料符合要求,材料廠還要自掏腰包買最先進的檢驗設備,在關東鑫林雲林廠,關東鑫林一口氣就買了臺5高階的電漿質譜儀,每一臺要價都超過一輛超跑。而且,同一批材料,出廠前廠商自己檢驗一次,送進臺積電之後,還有一組超過200人的團隊,重新對材料再做檢驗;換句話說,要能打進臺積電先進位程供應鏈,不只要有生產技術,檢測服務、運送,缺一不可。如果把臺積電比喻成一家相片衝印店,臺積電的工作,就是把IC設計公司設計出的電路「衝印」在矽晶圓上,再用蝕刻材料「拿掉」不要的部分,再利用沉積材料等各種物質,把電路「加」上去。工研院產業科技國際策略發展所經理張致吉解釋,半導體材料大致可分為矽晶圓、光罩、薄膜製程使用氣體、蝕刻製程使用氣體、製程用洗淨藥液和乾燥藥液、研磨墊、研磨液體等部分。半導體材料的市場每年也穩定成長,張致吉引用《富士經濟報告》指出,以蝕刻用材料為例,市場規模在5年內仍會持續成長。因為,蝕刻用材料的作用就像一把化學的鏟子,以前做記憶體,只要在晶圓上挖128層,「現在已經堆疊到500層。」人們使用的資料量愈來愈大,相關材料的需求也愈大。


關東鑫林科技董事長呂志鵬指出,製程化學品以前可以做到對A材料完全沒有損害,對B材料卻一口氣溶解10層、20層,「現在記憶體堆疊層數愈來愈高,材料一口氣就要吃30、40層,卻還是要求對旁邊的A材料一點都不能損害。這種讓化學品「指到哪裡就吃到哪裡」的特殊技術,靠的就是材料供應商手上的獨門配方。20年前默克一度賣掉電子級化學基礎材料,過去幾年又重新投資半導體材料事業,就是看到機會。臺灣默克董事長謝志宏更透露,在經濟部鼓勵和協助下,默克今年也計畫在南臺灣投資先進的半導體沉積材料,「這些材料不是一車一車賣,而是以公克為單位供應」。過去多年,臺灣一直是全球最大的半導體材料市場;光是去年,臺灣就採購超過113億美元的半導體材料,臺幣價值超過3300億元。在以臺積電為龍頭的帶動下,近年已有愈來愈多的半導體材料外商來臺進駐。站在雲林鬥六工業區,就能感受到這個趨勢。在這裡,臺日合資的半導體材料廠關東鑫林,去年雲林1廠2期工程、雲林2廠接連完工,總投資金額達100億元臺幣。全球3大光阻液廠之一的日本信越,也在雲林設廠生產高階光阻液,是信越在日本之外的第一個光阻液廠。產品正等著通過臺積電認證,從鬥六到臺南只要近1小時的車程,提早卡位南科即將爆發的材料商機。


目前,各材料領域都有臺廠投資,其中以生產製程化學品最多。這類材料多半用於清洗晶圓,把多餘的物質拿掉。在氣體領域,過去幾乎都是外商天下,但中美晶投資的臺灣特品化學,去年也拿到臺積電優良供應商。黃光製程裡,如光阻液也大部分供應商是外商,但永光化學自主研發的光阻液,也已開始打入12吋半導體廠。臺灣半導體材料廠的實力,已足以出口打國際杯。「上一次日韓貿易戰,是我們救了三星。」一位業者透露,日本禁止對南韓出口的半導體等級氫氟酸,是重要製程化學品,全世界除了日本,臺灣有兩家公司有能力生產。這兩家公司,一家叫僑力化工,這家公司沒有上市,卻是全球氫氟酸產能第2大的公司。僑力化工原本是貿易公司,轉型自製產品時,想向日本買技術,日本人卻不願意技術合作;於是,僑力化工便自行研發,從牙膏用的氟化物開始,做到藥品級,最終做到最頂尖的半導體級氫氟酸。「氟化物的原料是螢石,全世界中國蘊藏量最大,但中國只能做出工業級氫氟酸,臺灣卻能做到半導體級。」業者透露。另一家是臺塑旗下的臺塑大金,這家公司是1999年,由日本大金工業和臺塑合資成立,由大金工業提供技術,臺塑負責管理,專門生產臺灣半導體產業需要的氫氟酸,20年持續擴廠,電子級氫氟酸產能也已達2萬6千噸,臺灣半導體廠幾乎都是臺塑大金的客戶,它們以內銷為主,當臺灣半導體產業持續擴廠,臺塑大金今年也積極擴產。根據臺塑年報,臺塑去年認列臺塑大金獲利1億2千萬元。這幾年,甚至已有部分臺灣公司打進更高端的臺積電五納米供應鏈。本刊採訪得知,廣明實業的硫酸、長春石化的雙氧水、信紘科的機能水,都已得到認證採用。在7納米部分,溶劑大廠勝一,因為有3項材料在臺積電7納米製程被採用,股價從2016年開始翻倍成長。關東鑫林的製程化學品,也是臺積電先進位程的要角。


此外,有不少本土工業老家族,透過與外商合資,悄悄賺半導體材料的錢。例如南紡旗下的南美特科技,就是化學氣相沉積材料的供應商。也有不少本土半導體周邊廠商想進一步跨入材料產業,例如廠務設備大廠帆宣,也代理銷售半導體材料。中美晶在培養出環球晶之後,現在也大力投資特品化學,轉攻半導體用氣體。還有不少公司,如新應材,正從面板產業材料切入,想逐步切入半導體封測,甚至半導體材料市場。不過,要打進半導體產業絕非一朝一夕就能達成。例如永光化學為了開發自有半導體光阻技術,投資23年時間才完成。對臺灣半導體材料產業的發展,關東鑫林董事長呂志鵬可說是開路先鋒。他回憶,他剛進默克時,主要工作就是把歐洲運來的半導體材料,一桶一桶運給工研院的客戶;後來,這個客戶從工研院獨立出來,變成了臺積電。呂志鵬說,當時默克看到臺灣半導體產業將進入高速成長期,就和日本關東集團在臺灣投資伊默克公司,由於硫酸等半導體材料體積大,重量重,默克改採授權模式,由臺廠使用默克的技術在臺生產,半導體材料產業因此從製程化學品開始發展。隨著竹科崛起,桃園也發展出一個電子化學品的聚落,中華化學、廣明實業、永光化學等大廠,都群聚在桃園觀音一帶。


除了提高品質競爭力之外,環保也是半導體材料開發的新趨勢。永光化學總經理陳偉望認為,以前半導體廠與臺灣廠商合作,多半是為了降低成本;但是歐盟提出新的環保要求後,半導體廠愈來愈有意願與臺灣廠商合作研發無毒新材料,或是發展回收技術。臺積電也透過與臺廠合作,把技術「埋」在材料裡,採訪中,廠商都避談臺積電使用的化學品確切型號,「有些東西全世界半導體產業,只有臺積電在用。」業者透露,臺積電使用的材料早已與英特爾、三星不同。站上半導體龍頭之後,培養自己的供應鏈已是臺積電必走的一條路。現在,全世界都要爭奪最先進的半導體製程,是威脅也是機會。臺灣有機會在半導體代工之後,再長出另一個千億元產業。如果臺灣半導體材料產業能因此擴大影響力,未來臺灣還會再多一座「護島神山」,成為臺灣在全球半導體產業的新競爭門檻。


來源:財訊  

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