【堪稱天下第一大廠】開工半年內每月量產 3 萬片!台積六廠如何創造半導體奇蹟?

【為什麼我們挑選這本書】張忠謀是近代影響科技、經濟、政治最多的企業家之一。從 1987 年成立台積電、2010 年帶領台積電超越東芝成為全球第三大半導體公司、 2016 年打敗 IBM 成為世界第一,台積電不只世界第一,還是唯一。

本文摘錄《商業周刊》編寫的《器識:張忠謀打造台積電攀登世界級企業的經營之道》,記錄台積電設立全台第一座十二吋晶圓廠的過程,從尋地施工到正式生產,縝密的建造計畫立志打造台灣成為新矽谷,在成為晶圓製造龍頭的路上,台積電做了哪些努力?(責任編輯:鄒鎮鴻)

全台灣第一座十二吋晶圓廠──台積六廠,是全球最大的半導體單一廠房,建成以後供應台積電至少十分之一的產能,年產值約為新台幣二百五十億元。這座堪稱「天下第一大廠」的科技城堡是如何建造起來的?背後有什麼故事?它又有何「能耐」?

天下第一大廠:台積電成為半導體霸主之作

「四十年前我剛到矽谷的時候,那裡還是一大片蘋果園,但現在已是寸土寸金,我相信 台積六廠也會把台南科學園區四周甘蔗田,變成矽田,成為全世界另一個高科技奇蹟!

一九九七年,張忠謀在台積電的第六廠、也是全台灣第一座十二吋晶圓廠的動土典禮上,留下了這段豪語。三年之後,台南科學園區附近甘蔗田依舊茂密,高壓電塔一座接一座兩旁延綿,經由南科超高壓變電所的二百一十萬千瓦的功率,不分日夜送往地平線上那座黑白紅相間的台積六廠。

樓層面積八萬八千八百平方公尺的台積六廠 ,是二○○○年時全球最大的半導體單一廠房,也擁有全球最大的一萬八千平方公尺的無塵室,至少供應十分之一的產能,在產能滿載的情況下,產值曾是當時台積電各廠之冠。

台積電領頭晶圓生產,各廠紛紛跟進

每當黑夜降臨,地平線就被這座工廠所照亮,三班制工人輪流上線,四週蛙鳴依舊,新市和善化之間的三抱竹村,開始有了第一家二十四小時的便利商店,南方之夜狂想曲開始暖場。

國科會產業分析師馬維揚指出, 與其說台積六廠帶動新一波十二吋建廠風潮,不如說台積電擴大了「戰爭規模」,各家觀望的氣氛也被台積電打破。一九九七年,當台積電正式宣布投入新台幣九百億元在南科建廠,進而建置十二吋晶圓生產線,半年之內,包括了聯電、茂矽、華邦、甚至旺宏,都紛紛宣布十二吋晶圓廠的計畫。其中,聯電和日立合建的十二吋晶圓廠,初期就要投入新台幣五百八十億元。

「沒辦法,不做等於宣告放棄,三年後看台積電慢慢把這個市場吃掉!」一名業界人士指出,聽到台積電決定要興建南科六廠相當驚訝,一方面當時全球只有兩座十二吋晶圓廠,而且都正在興建中,一座是英特爾的,另一座是西門子的 Infineon。這種全球最先進的製程,台灣並非沒有能力開發,只是台灣一向跟在大廠後面,供應產能。

 一九九八年,半導體的景氣正從谷底開始爬升,台積電卻讓競爭者喘一口氣的時間都沒有,台積電還在六廠配置第一條十二吋晶圓生產線,也是全台灣第一條點一三微米、銅製程的生產線。

泥濘的地表,馬上被一部部載來了鋼筋和水泥的卡車,劃下深陷的輪胎痕跡,台積六廠所需的高拉力鋼筋共三萬四千噸,等於可以建兩千五百戶國宅。 

第一批台積電人員約三十人,在資深建廠工程師林俊吉、處長劉人名率領下進駐,臨時搭建的兩層樓工寮就是「戰爭臨時指揮所」。眺望西邊,和台積六廠同一天動土的南科管理局的標準廠房和管理中心,也在加緊搶攻結構。曬得很黑的「阿吉」,是台積電第二十四號員工,可能也是台灣穿著最髒的億萬富翁,他從挖地基開始參與,地底、地面上下跑,穿著工程服直接前往南科籌備處,希望他們趕快把整個南科的 排水系統做好。

沼澤地上建廠,建築結構可承受八級強震

這裡原是一片沼澤地,三千年前就有文明在此棲息。不過三千年後卻是台南有名的淹水區,再加上地表二十五公尺下才有岩盤經過,地表沉積岩土質相當鬆軟。負責工程的互助營造公司董事長林清波表示,依照台積電對防震的要求,就算台灣發生八級大地震,六廠還是可以不受影響。以九二一大地震為例,當時新竹科學園區承受的最高地面加速度(PGA)是○.一三九克,而六廠可以承受高達○.六克的 PGA,等於是四倍以上。

同時,要懸吊主體建築的龍骨,必需緊緊抓住大地。歷史五十年的互助營造,有蓋過十五座晶圓廠的經驗,但是這次,互助營造要先把地基挖到三層樓這麼深(普通廠房約一樓深)、再埋三千根直徑五十公分的鋼筋混凝土樁吃到岩盤。只不過,大雨一來,剛灌好泥漿的結構就全部沖毀。

「光是地基就淹了兩次!」林俊吉表示,建廠的技術不是問題,但問題是他們效率太高,連南科周邊排水工程系統還沒完成就開始在地基灌漿,而每次淹水後,除了要清理地基,打掉重來,又要停工一星期,損失都達數百萬元。這也是台積六廠要在南科「生根」的代價!

當時在台積電三廠工作、台南出生的工程師陳仲怡,從大學時就北上中原大學唸書,畢業後就在新竹科學園區、一待又是八年。當他得知張忠謀決定在南科設廠時,還特別趁回家時自己騎摩托車來這裡看看。她穿過了一大片甘蔗田時,心就涼了一半,看見滿是泥濘的預定地時,心中更開始懷疑,何時才真的能夠回家。

每天要做五十個伏地挺身、鼻樑直挺的台積六廠廠長趙應成,是國內最早接觸 DRAM 製造的工程師之一,他的專長在「系統整合」。所謂「系統整合」,就是在半導體設計和量產之間,做溝通和整合的工作。台積電的人都喊他「老趙」,當他打包好了聯電總經理許金榮送他的鍾馗立像、正準備出發南科之前,總經理曾繁城還特別召見他,送他四個字:承先啟後。

台積六廠進駐南科,帶動龐大投資與周邊商機

說「承先啟後」是因為台積六廠是台積電最後一座八吋廠,也是全台灣第一座十二吋晶圓生產線。而另一方面,六廠內部空間的設計,包括內部四條生產線,可以互相支援,隨時從八吋變成十二吋,十二吋變成八吋,這也是國外最先進大廠的設計方式。

隨著地基的防震測試的完成,互助營造每天一千五百人次的工人,八個月內完成了地面上硬體架構,一九九年二月,台積六廠開始進行裝機的作業,第二批的三百人也開始進駐六廠,三分之一是北部召募再培訓六個月、三分之一在本地召募、三分之一是從竹科各廠調來,陳仲怡也在其中。

林俊吉告訴這三百人,這裡的星星很大、很亮,一天勞累之後,數星星睡覺是最好的消遣。

以往台南新市附近最貴的一桌菜是三千元,自從南科的台積六廠進駐後,變成了六千元,假日還座無虛席。南部的搬家公司也開始注意到高科技商機,投資數百萬買來「氣墊式」的貨櫃車,爭取運送半導體機器的生意,舉例來說,一部價值三億的十二吋曝光機組,從高雄港到南科,運費就高達六百萬元!

分寸之間,差別何止百萬。如果只是一座單純的八吋廠,建廠成本只要八到十億美元,也就是兩百五到三百億台幣左右。但是興建十二吋的晶圓廠,成本就變成了二十到三十億美元,也就是三倍的投資。

由於每一片十二吋晶圓可以切割的晶粒,比八吋晶圓多了二.二五倍,成本少了三○%。所以說投資十二吋晶圓廠,最主要是為了一場「成本的戰爭」。對於容易標準化而量大的 CPU 晶片、晶粒面積大的繪圖晶片業者,如果沒有一座十二吋晶圓廠,就意謂著未來每一片記憶體的成本比別人貴三○%。

南科全力支持台積六廠營運,朝「天下第一」邁進

要做到最大,成本才會最小,這是台積六廠要做天下第一廠的原因。趙應城白天領導年輕的工程師裝機、試機,下班後陪大家打壘球、打羽球。二○○○年七月十五日,台積六廠先成功達到月產一萬五千片八吋晶圓的目標,並在三個月後挑戰每月產能三萬片。 世界上從來沒有一座晶圓廠,在正式量產後半年內就可以達到這個數字

從打椿的那一天起,台積六廠就以規模和速度向「天下第一」邁進。

當時,全球的晶圓需求,大約每年增加三○%。二○○○年九月五日,時任副總統呂秀蓮的科技之旅來到台積電,張忠謀對她表示,等到二○一○年時, 全世界的 IC 有一半是來自專業的晶圓代工廠,而這一半來自代工廠的晶圓,又有一半是來自台積電!

「我們南科支持台積六廠全力運轉絕無問題!」現任南科管理局主任戴謙表示,每一片晶圓需要用到四噸的水,七○%可以回收,南科附近有三個水庫,包括新市、善化和箱涵,即使美濃水庫不建,也綽綽有餘。至於電力,南科有著像美國西部公路上一樣的高壓電塔連綿,背後有漳頂、烏山頭等三個迴路的電力,蓄勢待發。

關於南科對台灣第一座十二吋晶圓廠的支持,劉啟光表示,管理局已在他們權限內做得相當完美。不過,為了保險起見,台積六廠還是會有自己的備用發電廠,讓南科的地平線始終明亮。

台灣南部有足夠的人才嗎?

有了廠,還要有人,才能打仗。未來,台積六廠總共需要五千個人力,但是南台灣有足夠的人才嗎?

竹科附近有交大、清大,車程一小時左右還有中央和中原,提供了許多人才。針對這點,成功大學大工學院院長王駿發說,成大工學院有八千人,從環工到水利有十二個科系,人才供給面完整,人數等於整個交大。至於素質,王振明回答得更妙:「目前清大校長劉炯朗、交大校長張俊彥都是成大畢業,你說素質如何?」

台積電副董事長曾繁城也是成大畢業。台積電已在成大工學院設立講座及獎學金,拉近學術和實務的關係。離南科一小時車程處,還有中山大學和義守大學。更重要的是,原本南部很多理工人才開始回流,讓南部城市重新復活。南科人才就業博覽會上,台積電大排長龍,爭相擠進六廠大門,六廠人力資源處長劉啟光透露,連作業員職位的關說層級,有的都在立法委員之上。

當時,台積六廠約有一千七百名員工,二○○一年要增加到二千四百人,等於在一年中的二百四十個工作天裡,平均每天都要召募三名新人。關於台積電的人員召募,早期地方上曾有「台積電不用南科地方人」的抨擊,事實上, 目前台積六廠的員工約有半數是來自台南縣市 。同時,現在也有越來越多南部民眾開始知道台積電股票不好拿,除了要輪班,有時還得工作到深夜,這對許多習慣白天工作的南部民眾來說簡直不可思議。

台積六廠二百坪的餐廳裡,每天供應四餐,另外,還有奇美博物館經營的藝術咖啡廳供員工小憩;在台積六廠無塵室的入口處,交班時人潮洶湧,工程師和作業員在此互相寒喧後,上線的上線、回家的回家。但是在三樓的 300 mm 點一三微米工廠旁卻是另一副景象,有人在牆邊低頭啜著咖啡、有人在門外輕聲交談,緊張氣氛讓走過的人也加快腳步。

300 mm 點一三微米生產線,是台積電當時最先進的技術,也讓台積六廠成為台灣第一座量產十二吋、點一三微米晶圓的工廠。

台積六廠 12 吋量產的關鍵技術,取得半導體產業的主導地位

什麼樣的工程師可以領導台灣大廠和世界同步、開發出最先進的半導體製程技術?負責這條生產線的工程師是蔡能賢博士,清大物理系畢業的他,是美國麻省理工學院材料工程博士,原來是世界先進的副總經理,台灣開發出第一批六吋晶圓時,他就在現場;而八吋晶圓誕生時,他更自己開發出一套量產的模式。

現在,全球的半導體大廠和設備商都在屏息以待,看著他如何用最先進的快速大尺度曝光、全掃描式光罩機器,以銅製程開發出十二吋晶圓的量產模式!

包括全球最大的半導體設備廠美商應用材料,都派出最頂尖的工程師小組進駐台積六廠,隨時和蔡能賢的點一三微米小組討論十二吋晶圓設備的製作和改進。

對全世界的半導體設備商來說,十二吋設備機器正是下一波的主流,如果沒有跟上,也將被市場淘汰。一名設備商業者就表示:台積六廠十二吋量產的關鍵技術,已取得了半導體產業的主導地位。

「他是那種可以一個人用網球拍對牆壁打反手球,半個小時都不變換姿勢的人!」一名和蔡能賢熟悉的工程師指出,他對那種複雜精密、但是要有耐心 的工作很擅長。蔡能賢在四十歲時才開始學網球,但兩年後就打到新竹園區杯雙打亞軍,蔡能賢說,他最欣賞的球員是張德培,為了救任何一絲一毫的機會球,奮不顧身。

台積電每年都要蓋一座晶圓廠!

全球最大的半導體廠英特爾,在二○○○年年底正式量產十二吋晶圓,而台積六廠的時間表,則是二○○一年的第二季,月產五千片,當時緊追在後的是日立與聯電合資的十二吋晶圓廠,開出月產七千片的產能。面對這樣的激烈競爭,蔡能賢說,做好每一個細節是決勝關鍵。

「未來,台積電一年還要蓋一座晶圓廠!」曾繁城指出,隨供需起舞反而跌得更重,先蓋好廠房,景氣不好就先不裝機器。台積電從六廠開始,要走得更大步。

台積電在蓋第六廠時,就地挖到了不少三千年前的古物,這裡曾是台灣最早有文明的棲息地。站在這塊土地上,這座台灣最先進的一家工廠,傲視全球的產能和效率將為半導體的演化史再添新頁,也和 IC 產品優勝劣敗息息相關,不分晝夜,台積六廠正在挑戰歷史。

(本文書摘內容出自《器識:張忠謀打造台積電攀登世界級企業的經營之道》,由 商業周刊 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題;首圖來源: 台積電 。)

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