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美國蓋廠又貴又慢 超狂工程師萬言書揭晶圓廠興建細節

2024/05/07 05:22

興建一座現代半導體廠所費不貲。(歐新社)

陳麗珠/核稿編輯

〔財經頻道/綜合報導〕美國進步中心(Institute of Progress)學者、結構工程師波特(Brian Potter),近日長文解析一座價值200億美元(約台幣6480億)的半導體廠是如何建成的。文章指出,在美國蓋晶圓廠的速度比世界其他地方還要慢,建造成本也比世界其他地區更昂貴,估計高出30%到4倍。

台積電在日本熊本設廠,熊本一廠是台積電這波海外布局中,首座量產的晶圓廠。(美聯社)

打造現代晶圓廠 6千億起跳

波特在《建築物理》(Construction Physics)撰文解析晶圓廠建廠細節及製程。文章稱,隨著摩爾定律的發展,晶片變得越來越小、越來越便宜,自 20 世紀 50 年代以來,晶片的成本已下降了約 3 億倍,半導體元件也縮小,價格也比以往便宜,但是製造半導體的設施卻越來越昂貴。

在 60 年代末和 70 年代初,半導體製造廠 (或「fab」) 的成本約為 400 萬美元(以 2024 年美元匯率計算約為 3100 萬美元)。如今,一座現代化晶圓廠的成本可能達到 100 億至 200 億美元甚至更多。英特爾正在亞利桑那州建造兩座工廠,預計每座耗資 150 億美元,三星位於德州泰勒的工廠預計耗資250 億美元。

文章還解釋半導體製程,說明興建晶圓廠成本高昂的原因,直言現代半導體工廠必須創造一個具有令人難以置信的精度和可預測性的世界。每一個可能擾亂製造過程的影響,無論多麼小,都必須被篩選出來,任何細微的偏差都必須被追蹤和消除,而整個晶圓廠的核心就是無塵室。

晶圓廠無塵室(歐新社)

無塵室重中之重 需專業建築工

文章稱,大型晶圓廠將擁有數十萬平方英尺的無塵室,並且該設施可能佔地數百英畝。建造它需要數萬噸結構鋼和非常多的混凝土。英特爾宣稱其工廠使用的混凝土是杜拜哈里發塔的2倍,金屬的使用量是艾菲爾鐵塔的5倍。

若想將這種材料以必要的精度水平安裝到位,需要數千名經過專門培訓的建築工人。英特爾在德國馬德堡的新工廠預計在高峰期需要超過 9300 名工人,而台積電在亞利桑那州建造的新工廠則需要1萬2000 名工人。

一旦工廠竣工,無塵室可以保持正壓(稱為「排污」),就可以安裝製程工具。設備可能會分成許多單獨的元件到達,需要漫長而仔細的組裝過程,光是ASML 的一台先進 EUV 曝光機裝在 40 個貨櫃中,分佈在 20 多輛卡車和3架貨機上。一旦安裝設備,晶圓廠可能需要六個月到一年的時間才能達到可接受的製程產量。

拜登政府砸鉅資打造美國半導體供應鏈,吸引廠商赴美蓋廠,卻遭遇成本上升及建廠延宕問題。(示意圖,歐新社)

美國蓋半導體廠 又貴又耗時

文章提及,儘管晶圓廠規模龐大且複雜,建造速度卻很驚人,平均大約需要2到4年。這與其他大型商業建築項目並沒有什麼不同,而且比其他一些嚴格控制的製程設施(如核電廠)要快得多。

不過,在美國,晶圓廠的建造速度比世界其他地方慢。美國晶圓廠建廠時間從 1990 年代的平均 650 多天,增加到 2010 年代的平均 900 天以上,而亞洲國家平均建廠時間約為 600至700 天,部分原因是環境審查流程日益嚴格。美國晶圓廠的建造成本也比世界其他地區更高,估計貴出 30%(根據英特爾估算)到4倍(根據台積電估算)。

報導總結,由於晶圓廠成本不斷上升,導致半導體產業結構轉變,僅極少數公司運營領先製程,目前是台積電、三星和英特爾,行業也已轉向無晶圓廠模式,在這種模式下,蘋果和輝達等公司設計自己的晶片,然後交由台積電等代工廠生產。

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