《电子技术应用》

台积电揭露部分先进制程秘密

2017/6/6 6:00:00

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台积电生产主管秀出一张张严禁摄影的投影片,剖析如何善用机械学习大数据,打造出超越三星、格罗方德的制程管理。一位台积公关主管事后都惊讶的说,“他怎么讲这么多,难道不怕竞争对手拿去抄?”

走进新竹科学园区的台积电总部大厅,会看到墙上英文写就的三大信条:“技术领导、制造卓越、顾客信赖”。其中,制造卓越(manufacturing excellence)一块,台积电过去总是讳莫如深,极少谈论细节,但在同业眼里,却是台积电与三星、格罗方德拉开距离的真正关键。

5 月底的 2017 年台湾技术论坛,台积电首度揭露部分先进制造的秘密。首先,共同CEO魏哲家在主题演讲时透露,台积电已将当年热门的大数据、机器学习技术,应用在制程管理,“都是为了降低我们的 cycle time(生产周期)。”

台积电董事长张忠谋去年接受《天下》专访时,也曾强调“在我们公司里,生产周期很重要。”

当前最先进的 IC,内部结构像是一个层层叠叠的千层蛋糕,做出每一层所花时间的平均,就称为“生产周期”。

魏哲家说,早年在 180 纳米的时代(约 15 年前),一颗 IC 内部只有 25 层,但是生产一层得花上两天。当前最先进的 10 纳米手机芯片,内部已高达 80 层,如果一层还是两天,便代表一个产品要 160 天、将近半年才做得出来。“没有人肯等你的,”魏哲家说。

他说,现在台积电 10 纳米的生产周期目前约 1.1~1.2 天。“我有一个梦想,以后要做到一层一天,不能再长。”魏哲家强调。

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生产周期已是产业胜负关键。一位台积电客户主管表示,格罗方德的生产周期约比台积慢上 30%,这不但代表同样一个厂,台积电可多创造三成营收,客户产品上市的时间,也可快上将近一个月。而一个月,在变化快速的智能手机业,往往就定生死。

而且,当半导体尺度开始逼近物理极限,生产周期还从生产力优势,转化为技术优势。

例如,台积电与三星的 7 纳米竞赛。台积电的 7 纳米,已经从上个月开始试产。而三星却得等到明年,因为该公司坚持要采用最新的 EUV 微影技术。

一般业界认为三星研发能力与台积电不相上下,但制造管理,不如台积电。最先进的 7 纳米智能手机 IC,内部结构高达 100 层,而且部分结构得用到复杂的 4P4E 微影技术,大幅拉长生产周期。

只有台积电有本事,在客户能容忍的时间,以传统微影技术生产出 7 纳米 IC。“台积电想先独占市场,因为只有他可以做。”一位 IC 设计大厂主管说。

而三星别无选择,只能等待预计明年性能才能达到量产要求的 EUV 显影技术,该技术的光线极细,可大幅加快生产速度,但设备价格极为昂贵。

然而,为何台积电的制造能力能够遥遥领先对手?

答案在技术论坛另一个演讲。台积电 12 寸厂技术委员会处长黄裕峰,主讲台积电的“智慧精准制造”,也就是类似“工业 4.0”的概念。

他表示,台积电先进制造环境已采用“独特的专家系统,和先进演算法,类神经网络自我学习的模式”。

在工厂管理部分,10 纳米产线收集的资料量,是过去 40 纳米的 10 倍。台积电以大数据与机械学习的方式,善用这些资料。

以一个月产 30 万片的晶圆厂为例,场内 3 千台生产机台,每天会产生 800 万的派工命令,台积电的工厂管理系统,可以在一分钟之内计算出最佳的生产排列组合。成果是,准时交货率 99.5%,产品生产周期 1~1.2 天。

第二,是制程精密控制方面,随着电晶体的尺度小到逼近物理极限,制程要控制的厚度变异量,甚至比一个原子要小。10 纳米世代与 28 纳米相比,控制参数多上 20 倍。

因此,每台生产机台装了上千个感测器,台积电更发展出精密的调机系统,大数据分析过去累积很多调机记录,再根据当下的机台状况,即时回馈一个最佳的调机参数组合,例如温度、气体流量、电流等。

第三,工厂一致性(fab matching),要确保在不同厂区生产的客户产品品质保有一致性。因此随时监控不同厂区的机台参数,找出生产状况最佳者,“找出好的模范生,所有人跟他学习,学完之后,就成为我们未来的标准。”黄裕峰说。


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