半导体发展简史

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半導體產業篇名

半導體產業作者

李鎮宇。市立三民高中。二年六班張傑浩。市立三民高中。二年六班張碩文。市立三民高中。二年六班

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半導體產業壹●前言自從有人類以來，已經過了上百萬年的歲月。社會的進步可以用當時人類使用的器物來代表，從遠古的石器時代、到銅器，再進步到鐵器時代。現今，以矽為原料的電子元件產值，則超過了以鋼為原料的產值，人類的歷史因而正式進入了一個新的時代，也就是矽的時代。矽所代表的正是半導體元件，包括記憶元件、微處理機、邏輯元件、光電元件與偵測器等等在內，舉凡電視、電話、電腦、電冰箱、汽車，這些半導體元件無時無刻都在為我們服務。矽是地殼中最常見的元素，許多石頭的主要成分都是二氧化矽，然而，經過數百道製程做出的積體電路，其價值可達上萬美金；把石頭變成矽晶片的過程是一項點石成金的成就，也是近代科學的奇蹟！在日本，有人把半導體比喻為工業社會的稻米，是近代社會一日不可或缺的。在國防上，惟有紮實的電子工業基礎，才有強大的國防能力，1991 年的波斯灣戰爭中，美國已經把新一代電子武器發揮得淋漓盡致。從 1970 年代以來，美國與日本間發生多次貿易摩擦，但最後在許多項目美國都妥協了，但是為了半導體，雙方均不肯輕易讓步，最後兩國政府慎重其事地簽訂了協議，足證對此事的重視程度，這是因為半導體工業發展的成敗，關係著國家的命脈，不可不慎。在台灣，半導體工業是新竹科學園區的主要支柱，半導體公司也是最賺錢的企業，台灣如果要成為明日的科技矽島，半導體工業是我們必經的途徑。貳●正文半導體的定義與製造流程所謂的半導體，是指在某些情況下，能夠導通電流，而在某些條件下，又具有絕緣體效用的物質；而至於所謂的 IC，則是指在一半導體基板上，利用氧化、蝕刻、擴散等方法，將眾多電子電路組成各式二極體、電晶體等電子元件，作在一微小面積上，以完成某一特定邏輯功能（例如：AND、OR、NAND 等），進而達成預先設定好的電路功能。隨著技術的進步，在一單一晶片聚集佰萬顆以上電晶體的IC，已非難事。一般而言，一顆 IC 的完成，通常先後需經過電路設計、光罩製作、晶片製造、晶片封裝和測試檢查等步驟。 IC 的上市，挾其輕、薄、短、小、省電、多功能、低成本等特長，席捲大半的半導體市場，成為半導體的主流產品。若按其製程技術來區分，可大略分為 Bipolar 和 MOS ( Metal Oxide Silicon )二大類。其中 Bipolar 製程技術發展較早，但集積度

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半導體產業較低且較耗電，除少數特定用途需較快工作速度和耐較高電壓的場合外；MOS 製程的產品已攻佔了絕大多數的應用市場。二、半導體的起源與電晶體的發明在二十世紀的近代科學，特別是量子力學發展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性，而陶瓷材料則否，性質出來之前，人們對於四周物體的認識仍然屬於較為巨觀的瞭解，那時已經介於這兩者之間的，就是半導體材料。英國科學家法拉第(Michael Faraday， 1791~1867)，在電磁學方面擁有許多貢獻，但較不為人所知的，則是他在 1833 年發現的其中一種半導體材料：

硫化銀，因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當時只覺得這件事有些奇特，並沒有激起太大的火花；然而，今天我們已經知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助於導電，這也是半導體一個非常重要的物理性質。 1874 年，德國的布勞恩(Ferdinand Braun，1850~1918)，注意到硫化物的電導率與所加電壓的方向有關，這就是半導體的整流作用。但直到 1906 年，美國電機發明家匹卡(G. W. Pickard，1877~1956)，才發明了第一個固態電子元件：無線電波偵測器(cat’s whisker)，它使用金屬與矽或硫化鉛相接觸所產生的整流功能，來偵測無線電波。在整流理論方面，德國的蕭特基(Walter Schottky，1886~1976)在 1939 年，於「德國物理學報」發表了一篇有關整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導體間有能障(potential barrier)的存在，其主要貢獻就在於精確計算出這個能障的形狀與寬度。至於現在為大家所接受的整流理論，則是 1942 年，由索末菲(Arnold Sommerfeld， 1868~1951)的學生貝特(Hans Bethe，1906~ )所發展出來，他提出的就是熱電子發射理論(thermionic emission)，這些具有較高能量的電子，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結果較為符合。在半導體領域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫(Felix Bloch，1905~1983)在這方面做出了重要的貢獻，其定理是將電子波函數加上了週期性的項，首開能帶理論的先河。另一方面，德國人佩爾斯(Rudolf Peierls， 1907~ ) 於 1929 年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他後來提出的微擾理論，解釋了能隙(Energy gap) 存在。早在 1930 與 1940 年代，使用半導體製作固態放大器的想法就持續不絕；第一個有實驗結果的放大器是 1938 年，由波歐(Robert Pohl， 1884~1976)與赫希(Rudolf Hilsch)所做的，使用的是溴化鉀晶體與鎢絲做成的閘極，儘管其操作頻率只有一赫茲，並無實際用途，卻證明了類似真空管的固態三端子元件的實用性。

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半導體產業二次大戰後，美國的貝爾實驗室(Bell Lab)，決定要進行一個半導體方面的計畫，目標自然是想做出固態放大器，它們在 1945 年 7 月，成立了固態物理的研究部門，經理正是蕭克萊(William Shockley， 1910~1989)與摩根(Stanley Morgan)。由於使用場效應(field effect)來改變電導的許多實驗都失敗了，巴丁(John Bardeen， 1908~1991)推定是因為半導體具有表面態(surface state)的關係，為了避開表面態的問題，1947 年 11 月17 日，巴丁與布萊登(Walter Brattain 1902~1987)在矽表面滴上水滴，用塗了蠟的鎢絲與矽接觸，再加上一伏特的電壓，發現流經接點的電流增加了！但若想得到足夠的功率放大，相鄰兩接觸點的距離要接近到千分之二英吋以下。12 月 16 日，布萊登用一塊三角形塑膠，在塑膠角上貼上金箔，然後用刀片切開一條細縫，形成了兩個距離很近的電極，其中，加正電壓的稱為射極 (emitter)，負電壓的稱為集極 (collector)，塑膠下方接觸的鍺晶體就是基極 (base)，構成第一個點接觸電晶體 (point contact transistor)，1947 年 12 月 23 日，他們更進一步使用點接觸電晶體製作出一個語音放大器，該日因而成為電晶體正式發明的重大日子。另一方面，就在點接觸電晶體發明整整一個月後，蕭克萊想到使用 p-n 接面來製作接面電晶體 (junction transistor) 的方法，在蕭克萊的構想中，使用半導體兩邊的 n 型層來取代點接觸電晶體的金屬針，藉由調節中間 p 型層的電壓，就能調控電子或電洞的流動，這是一種進步很多的電晶體，也稱為雙極型電晶體 (bipolar transistor)，但以當時的技術，還無法實際製作出來。電晶體的確是由於科學發明而創造出來的一個新元件，但是工業界在 1950 年代為了生產電晶體，卻碰到許多困難。1951 年，西方電器公司（Western Electric）開始生產商用的鍺接點電晶體，1952 年 4 月，西方電器、雷神

(Raytheon)、美國無線電 (RCA) 與奇異(GE)等公司，則生產出商用的雙極型電晶體。但直到1954 年 5 月，第一顆以矽做成的電晶體才由美國德州儀器公司(Texas Instruments)開發成功；約在同時，利用氣體擴散來把雜質摻入半導體的技術也由貝爾實驗室與奇異公司研發出來；在 1957 年底，各界已製造出六百種以上不同形式的電晶體，使用於包括無線電、收音機、電子計算機甚至助聽器等等電子產品。早期製造出來的電晶體均屬於高台式的結構。1958 年，快捷半導體公司(Fairchild Semiconductor)發展出平面工藝技術(planar technology)，藉著氧化、黃光微影、蝕刻、金屬蒸鍍等技巧，可以很容易地在矽晶片的同一面製作半導體元件。1960 年，磊晶(epitaxy)技術也由貝爾實驗室發展出來了。至此，半導體工業獲得了可以批次 (batch)生產的能力，終於站穩腳步，開始快速成長。三、半導體產業在整體經濟上的重要性早期半導體產業多集中在日本、美國、西歐等地區發展，而亞洲地區一開始大多

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半導體產業以後段的封裝製程為主。然而韓國至 1980 年代末期、台灣自 1990 年初開始，則對困難度較高的半導體前段製程（亦即晶圓製造）進行大規模投資，同時新加坡也不甘示弱的繼台灣之後進行大手筆投資，於是以往半導體產業集中在美國、日本、西歐等地的情況，已經大為改變，現在全球半導體的製造重心，已經轉向到台灣、韓國、新加坡了。我國的半導體產業經過 30 多年的發展，目前已稍有成就，僅次於美國、日本、韓國等三國，居全球第四位的 IC 生產大國，是我國最具發展潛力的高科技產業之一，在我國整體產業結構中也佔有重要的比重。雖然國內積體電路產業的萌芽，是自 1966 年由外商來台設立封裝工廠開始，但當時只是以廉價的勞力作為考量，直到台灣第一家晶圓廠聯電在新竹科學園區成立後，才算正式進入積體電路產業的新紀元。當初在工研院電子工業研究所從事於技術的研究開發，而科學園區則提供一個完善的設廠孕育環境，兩者搭配下，包括聯電、台積電、台灣光罩、世界先進等公司陸續衍生成立，把台灣的半導體產業帶向了世界競爭的舞台，創造了今日「矽島」的傑出成就。尤其是在 1990 年代開始，國內多家半導體晶圓製造廠陸續成立，不僅帶動 IC 上下游產業，包括設計、封裝、測試業產值起飛，而且相關產業晶圓材料、設備、化學品、光罩等業別也趁勢興起，因而奠定了台灣現在是全世界第四大 IC 供應大國的傑出地位。若就國民生產毛額（G D P）的觀點而言，在 1999 年時，我國電子業佔總體製造業的比重（GDP 基礎）為 25.9%，IC 則佔電子業的 19.97%。雖然比重還不算太高，但是其影響力卻非常的大。舉例來說，在國內的證券集中市場或店頭市場，IC 相關類股的成交量與價格走勢，對於大盤都有很明顯、直接的影響，台積電、聯電等公司的資本額、市值，更是國內上市上櫃公司中極為龐大、最具影響力的公司。此外，就國內的製造業而言，科技業已成為未來發展的主力所在，科技實力更是評估一個國家競爭力強弱的重要指標。而新竹科學園區可說是國內高科技產業的重心所在，尤其對台灣的積體電路產業而言，幾乎所有的晶圓廠及為數甚多的 IC 設計業、測試業者，均於科學園區內設立有據點，至於設在科學園區附近的公司，也是多如牛毛。因此，若要探討 IC 產業在台灣的重要性，那麼拿它來與全國科技重心所在的新竹科學園區的其他高科技產業一併比較，應該是個相當好的指標。在今日的新竹科學園區六大產業中，單單積體電路產業的營業額高達新台幣 3,608 元，就佔園區總產值 6,509 億的 55.43%，比重之大、貢獻之高，以上數字說明一切。而在園區六大產業的總研發經費 245 億元中，積體電路產業更佔了其中的 68.73%，在園區實收資本額 5,660 億元中，積體電路產業也佔了 71.76%，因此，

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半導體產業若說台灣的產業應該朝向資本密集、技術密集的路線來發展，那麼由以上數據來看，積體電路產業正可以說是其中的典範了。四、台灣整體半導體產業概覽在低價電腦旋風、網際網路/電子商務興起、行動電話市場快速成長的促動下，1999 年全球半導體市場規模達 1,494 億美元，較之 1998 年成長近 19%。在國內的表現方面，1999年國內的 IC 需求市場規模達 107 億美元，較前一年成長了近 26 %，佔全球 IC 市場 8.2 %、亞太地區市場的 33.1 % 比重。也由於國產 IC 產品十分具有價格競爭力，再加上產品品質的提升，因此使得在 1999 年的 IC 進口產品的替代率大幅提昇，自給率由 1998 年的 22 % 大幅上升至 31 %。在國內 IC 產業的總體表現上，受到產能利用率提高、DRAM 價格回升、代工價格上漲、DRAM 製程微縮效應、投資效益顯現的推升下，1999 年我國 IC 產業產值達新台幣4,235 億元，成長率達 49.4 %，其中又以設計業近六成的成長，最是耀眼。在自有產品的表現上，1999 年國內 IC 產品產值達新台幣 1,987 億元，比前一年大幅成長了 62.2 %。其中仍以記憶體為最大宗，但所佔比重卻已有衰退；資訊應用雖仍為主流，但受到網際網路風行、IA 興起，已有逐漸轉向通訊及消費性 IC 的趨向。至於國產 IC 的主要市場仍以國內為主，佔了五成五，且有逐年增加的趨勢。專業分工之產業結構是我國半導體產業與國外最大之不同點。然而，在快速變遷之產業環境，以及日益擴大之資本設備投資額下，我國獨特之專業分工模式，確實符合了產業趨勢需求。國際大廠多以設計、製造、封裝、測試，甚至系統產品等上下游垂直整合方式經營，而國內上、下游水平分工的經營型態，確實與眾不同。在集中資源於單一產業領域之術業專攻模式進行下，這幾年也確實獲得相當好的成效。參●結論按照目前的半導體景氣趨勢來看，2000 年全球的半導體市場應該會成長 30 %以上，在全球電子、資訊、通訊、數位消費性電子需求市場持續熱絡的助力下，相信未來我國的半導體產業一定仍會有相當亮麗的成果展現，各別產業的產值成長率將有三成到一倍不等的高成長這其中又將以 IC 製造業的產值成長表現為最好，。就國內的各項產業來分析，半導體產業在未來幾年內仍舊會是當紅的明星產業之一，況且隨著台南科學園區的迅速發展，在未來的五到十年內，半導體產業仍會

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半導體產業有相當高幅度的成長表現。在業者大幅擴廠的情況下，對於相關人才的招募，仍舊存在有相當龐大的需求，因此對於電機、電子、材料、物理等相關系所的研發、製程專業人才，仍會有相當高度的需求；同時，在產業逐漸走向國際化、專業化的過程當中，對於國際行銷、策略規劃、法務、智權、財務管理等的相關人才，也有非常迫切的需求。因此，具有上述背景的專業人士，應該具有相當多的工作機會。雖然 IC 產業的從業人員，給予外界的感覺是擁有高物質報酬的年輕嬌客群，而且不可諱言的，有許多目前志在進入這個行業的人士，目的也只是為了追逐高的金錢收入。但是，在此必須奉勸真心有志於在此行業耕耘的有識之士，目光必須放遠一些，不應該老把重心都放在金錢、物質的追求上，應該在自己的專業領域上多加鑽研、不斷持續的學習，讓自己能隨著環境不斷的成長，如此才不至於在週遭追逐金錢的同僚中，迷失了自己。況且，現在所見的股票價值、金錢報酬是短暫的、未必實在的，自我本身實力的奠定才是永久、真實的。只要價值觀正確，實力基礎紮實，在這個行業中其實並不愁找不到更好的工作機會來發揮長才。園區、產業地理位置就那麼一點大，業界消息的往來更是十分頻繁，口碑相傳的效應是非常驚人的，因此，好的人才是不會寂寞的，短視近利者更終將被排斥。總之，眼光能放遠放長的聰明人，總是會處在事求人的機會中，反倒是那些短視近利的人，恐怕終究會淪陷在人求事的泥沼中。肆●引註資料註一、半導體產業 IChttps://www.360docs.net/doc/8715090847.html,.tw/employee/emp/001/002/ba1/ 註二、世界與我

國半導體演進史 https://www.360docs.net/doc/8715090847.html,.tw/history/history1.htm

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