台積電廠房裡面有什麼？晶片良率的關鍵，就在外牆內側的「關鍵空間」

自從在西班牙加利西亞山麓展開新生以來，我們的矽已經歷經無數轉型—從固態到液態，到固態，到氣態，再從固態到液態，然後又一次回到固態—現在裝進一個密閉罐，來到世界另一頭。我們現在在台灣古都台南郊外。從市中心驅車往北，辦公樓與住宅很快消失，眼前淨是甘蔗與高麗菜田。空氣有些悶熱，或許一時間你幾乎會有一種馳赴蠻荒不毛的感覺。但你錯了：對任何從事電腦業這一行的人來說，這裡是宇宙的中心。

前方田野中矗立著一個門柱，門柱後方一段距離外，就是一群閃閃發光的銀色建築。這個地方的全名是「南台灣科技園區」，而大家都知道這是一家公司的主生產核心，它的名號以紅色字體標示在建築物上：TSMC。這是十八號晶圓代工廠（Fab 18），全世界最先進的晶圓廠。

就連這裡會有這棟建築，也全虧了這位張忠謀先生。張忠謀是在1987年創辦了「台灣積體電路製造公司」（簡稱台積電）。他在1949年從中國移居美國，在美國矽產業工作，一路升遷成為德州儀器（Texas Instruments）半導體部門總經理，而之後德儀宣布執行長人選時，沒有選上他。這時51歲的張忠謀發現自己已經來到職涯終點，剛好台灣行政院長找上他，希望他能幫忙在台灣建立半導體產業。

延伸閱讀：烏克蘭的煉鋼廠，提供台灣半導體業一項關鍵材料！俄羅斯圍城戰引發全球晶片風險

有鑒於當時電腦產業完全由美國公司包辦，行政院這項建議堪稱大膽。台灣沒有這方面的工程經驗，也不具備熟練人才基礎。但在隨後許多年，就像當年普魯士政府協助建立「耶拿」玻璃產業，台灣政府也為台積電提供源源不絕的支持。真正使台積電有別於德州儀器或英特爾這類業界老字號競爭對手的，是它的業務模式：德儀與英特爾這類公司自行設計、生產晶片，台積電卻只為其他公司製作晶片：它是一家代工廠。

如果你想找一家能夠具體代表原料世界的公司，台積電絕對是你的不二首選。台積電的業務只有一個宗旨：為蘋果或特斯拉，或為輝達（Nvidia）、高通（Qualcomm）這類無晶圓廠模式（fabless）業者製造處理器。不在電腦業這一行的人雖說未必聽過「台積電」的名號，台積電卻絕對已經將晶圓代工發揮到極致，成為全世界最珍貴、最重要的公司之一。不過，想取得這樣的主控優勢可不便宜：從2021年起3年間，台積電編列的投資預算達1350億美元，相當於十艘美國福特（Gerald R. Ford）級航空母艦造價，比許多已開發國家的同期間預算開支還多。 （相關報導： 供不應求！台積電今年將新建7座廠　3奈米產能估增3倍 ｜ 更多文章 ）

一家不過擁有幾處設施，而且這些設施大體上不出單一國家國境的公司，怎能在這短短幾年之間花費如此鉅款？ 答案就在你面前這處南台灣暑氣逼人的田野中：十八號晶圓代工廠非常、非常昂貴。事實上，十八號廠不是一棟建築，而是六個相互連結的建築單位組合，其中幾個單位在寫這本書的時候還在施工中。這座代工廠總工程成本為170億美元，比英法海底隧道的施工成本（經過通膨調整）還稍多一些。不出幾年，可能出現另一家成本超越十八號廠的工廠，多半也是半導體廠，很可能還是台積電的。這是摩爾定律（Moore’s law）的邏輯：每兩年，電晶體必然變得更小，而製作它們的工廠則會更加昂貴。

十八號晶圓廠的這些建築單位本身，每個都有多層停車場般大小，但如果把它們的銀色外牆剝開，你會發現外牆內側的大部分空間並不用來工作、辦公或停車，而是用來安置龐大的過濾與空調系統，為的就是確保建築最關鍵部位的無比極度潔淨。十八號廠的辦公建築每小時大約進行5到6次通風與過濾；最關鍵部位的一級無塵室，每小時換六百次空氣。如果你將十八號廠所有不同單位的無塵室加在一起，這總面積約有25個足球場大的空間，是地表最乾淨的地方之一—撇開那些準備澆在晶圓上的毒溶劑不提的話。這帶著我們來到無塵室的下方、完全不同樓層的「sub-fab」，各式各樣用來洗滌、處理晶圓的化學藥劑就在這裡不斷攪拌、搖晃，送入守在上層的機器。沒有化學藥劑的半導體廠基本上一點用處也沒有：沒有化學藥劑，也不可能有電晶體。

sub-fab下方是全球最精密的一套減震裝置，也就是說，整個建築與大地幾乎完全隔絕，有鑒於台灣位於地表地震頻繁帶，這樣的裝置自有其必要。哪怕是再細微的響動都會干擾廠內機器的運作，所以晶圓製作廠一般不會過於接近機場或公路。

廠房裡擺著一排排機器，它們無疑是廠房裡最昂貴的東西。這些大多是白色、各自獨立的單位，體積跟小型巴士差不多，其中有些負責將化學藥劑塗在晶圓上—稱之為摻雜（doping）—有些負責沉澱奈米層材料，還有些用雷射在矽晶上蝕刻電路。1950年代，半導體裝配廠裡總有一排排女性員工，危坐桌邊，用鑷子操弄電晶體線路。在今天的晶圓廠裡，你或許可以見到一、兩位從頭到腳罩在白袍內、以免將灰塵帶進無塵室的人，在這裡，幾乎所有其他一切工作都由機器人代勞。這些廠房的自動化已經到了幾乎可以完全不用人力操作的地步，因此又稱「關燈」（lights-out）工廠。那是一種超現實、多少有些反烏托邦的景象：一個沒有人的世界。但從矽晶圓的角度看來，人類的指甲藏汙納垢、皮膚屑隨處脫落、呼吸也渾濁不堪，說白了根本就在到處散播雜質。在這樣的工廠，只要有一粒不當流入的原子闖進來，價值千百萬美元的電晶體瞬間報廢。如果一切按照計畫進行，直到表面封妥、準備發送，我們的矽晶圓不會接觸到任何一隻人類的手。

作者介紹：埃德・康威

作家與廣播人。他是「天空新聞」（Sky News）的經濟與數據編輯，是《泰晤士報》（The Times）與《星期泰晤士報》（Sunday Times）專欄作者。康威寫過兩本廣受好評的暢銷書，曾憑藉新聞專業贏過無數獎項。他現住倫敦。

本文經授權轉載自天下文化《供應鏈戰爭：砂、鹽、鐵、銅、鋰、石油的戰略價值》 （相關報導： 供不應求！台積電今年將新建7座廠　3奈米產能估增3倍 ｜ 更多文章 ）

責任編輯／郭家宏