經濟部國家產業創新獎－推薦閱讀

章勳明副總經理

「半導體研發很辛苦，但看到人們生活因此變得更好，就很有成就感。」

台積電先進設備暨模組發展處副總經理章勳明

隨著晶片尺寸奈米化，現行半導體的製程與材料面臨極大挑戰，台積公司成功研發新式原子層製程，克服因元件與導線大幅微縮和立體化所遇到的瓶頸，持續推動摩爾定律的前進，不僅鞏固台積公司高階先進製程的寶座地位，同時支援客戶實現新世代晶片設計的理想，對半導體產業創新的貢獻功不可沒。

原子層製程獨步全球推動摩爾定律持續前進

團隊創新領航－先進設備暨模組發展二處
台灣積體電路製造股份有限公司
【世界級原子層製程(Atomic Layer Process) 技術研發】

近數十年來，全球半導體產業的蓬勃發展及重大創新，迅速地改變人類生活，然而，當半導體製程不斷向前進，隨著晶片尺寸逐漸縮小至接近極限，在各種物理定律的束縛下，除了改善晶片中電晶體的基本架構，也越來越仰仗高精密的製程技術。半導體產業龍頭台積公司積極投入先進製程研發，盼能找出延續，甚至超越摩爾定律的技術。

台積公司的先進設備暨模組發展二處以「開發最先進的半導體製程」為使命，特別在邁入奈米世代後，該單位投入晶片製造所需的先進原子層製程。這是一項跨領域及高度整合的製程研發工作，集結了三百多位擁有各種專長的研發人員，耗費大量時間及心力，終致創新建立4 項原子層製程，導入17 個新應用於不同奈米世代，並藉由製程的建立帶動上下游廠商開發出新技術與產品，共同推動數位時代的進步。

聚集各方人才投入製程開發

對於普羅大眾而言，原子是個遙遠又模糊的概念，遑論融入設計製造中，團隊負責人、同時也是先進設備暨模組發展處副總經理章勳明透露，「諾貝爾物理獎得主理查．費曼在1950年曾經說過，人類未來一定會用原子做些什麼。」物理學大師發表的真知灼見，在超過半世紀之後果然成真，人類將原子運用在半導體製程上，以克服物理極限的考驗。

每一代晶片都需要建立模組，先進設備暨模組發展處團隊的主要任務就是研發先進模組與設備之技術，大約未來三年市場上用到新世代的晶片，皆是先進製程設計下的成果。當半導體元件進入奈米化階段，特別是7 奈米、5 奈米以降，精密標準大幅提升，更需要廣泛使用原子製程，對於奈米結構原子層製程與設備需求益加殷切。如何準確、快速地製造出低成本的新世代量產晶片，這是台積公司先進設備暨模組發展處團隊的終極目標。

一般只知奈米、原子非常小，但是到底小到什麼程度？章勳明指出，「1 奈米是1 公尺的億分之一，也等於10 個原子層。」如果把地球縮小為奈米尺寸的話，那地球大約只有一顆玻璃珠那麼大，而奈米電晶體晶片的大小甚至比人類一根頭髮直徑還要小，在晶片製程中，不論是鍍膜、蝕刻、清洗、表面處理等過程，都在幾個到幾百個原子層間的微小世界裡進行，精準度當然要非常高。

面對這項高難度任務，團隊集合跨領域優秀人才來應戰，從國內到海外召募成員，共達三百多人參與，一半是博士，另一半是碩士，分別來自物理、化學、材料、電機、機械、生醫工程等各種領域，人才背景相當多元，章勳明談到，「過去常與外部學界合作，但奈米技術新穎且頗有難度，近幾年積極邀請通曉半導體原理的海內外年輕教授，以及有豐富製造經驗的人才直接加入團隊，共同解決問題。」

除了整合內部成員之外，團隊還須不斷與機台設備商、材料供應商和國內外產學機構溝通。早期半導體採二維設計模式，後來容納不下，就開發三維晶片，每項元件大小、密度、傳輸連線、耗能規格等等需重新定義，相關設備也要隨之調整，「在技術、材料及設備面，都會面臨許多瓶頸，所以團隊成員要以各種專長彼此互補與支援，克服各種困難。」章勳明指出。

與時間賽跑堅持高標準要求

原子層製程雖然在數十年前就已出現，卻直到近年始突破進入商業化製造，對於過去習於用製程微縮來改善一切的半導體產業，這是新思維的挑戰，如何藉由創新來改善製程成本、功耗與速度，觀念與流程上都必須有所改變。

其中，製程材料與機台設備可說是攸關品質的關鍵。「通常下個世代的奈米晶片必須具備某些功能，我們因為長久做晶片，腦海中就會浮出想法，知道製程可能需要什麼樣的化學品、氣體與或機台等，但廠商並不曉得往什麼方向去開發，我們就要提早規劃，與廠商密切討論與反覆修改，共同鑽研真正可量產的材料與設備。」章勳明回憶，為了改善效能，曾經幾度改變機台與化學品，務求量產良率、元件效能與晶片效度能有所突破。

邁入奈米級世代，不僅考驗著技術，也考驗時間抗壓性與管理能力。以一家台積公司在美國的重要客戶而言，每一年都會發表新款的智慧型手機，這就意味必須在相當有限的時間內開發生產，章勳明說明，每一代奈米晶片製程，都有一定時間表，如果不小心遇到瓶頸，時間快到了還解決不了，壓力就很大，「每天都要跟時間賽跑！」他說。

台積公司製程設備的合作對象向來是美國、日本等國外廠商，業者通常派技術人員進駐台積公司，這樣的模式已行之有年，但隨著奈米尺寸減少，技術難度提高，且研發時間緊迫，章勳明決定調整作法，改成雙向進駐，也派工程師進駐對方在國外公司，共同討論解決問題，促使研發步調更加上緊發條。

基於技術越來越難，章勳明還在部門內成立圖書館，蒐集半導體製程相關，以及物理、化學、材料科學等一百多本書籍，要求團隊成員閱讀，甚至還要考試，「晶片做到奈米級，許多基本原理要讀懂，否則很難做得好，新的知識很快會落伍，紮實的基本理論知識反而更重要。」章勳明強調。

奈米進度超前帶動產業鏈發展

藉由無數專業累積，以及對細節的講究，團隊為台積公司創下全世界第一家研發出4項世界級原子層製程技術的紀錄，包括：原子層鍍膜用於16 奈米量產，大幅改善薄膜厚度、均勻度與覆蓋率的控制；原子層蝕刻用於10 奈米量產，精準掌握3D 結構尺寸、形狀及材料間蝕刻選擇比；原子層表面處理用於5 奈米量產，有效處理表面至埃（Angstrom）級範圍、原子層清洗用於5 奈米量產，可降低多層材料間的損失、大幅提升清洗效率等。團隊並以原子層製程為基礎，領先業界發展17 道不同的應用，率先導入晶圓製造生產中。

原子層製程不僅成功推動台積公司16、10、7 奈米量產，促使5、3 奈米研發進度超前，也因為與上游設備和材料供應商合作，部分材料零組件與化學品留在臺灣生產，讓本土業者有機會參與新一代製程機台與新材料的製造，讓技術深耕在地，亦創造了就業機會，且優異的晶圓代工，間接協助拓展下游業者的設計格局，影響新一代晶片開發，對整體半導體產業鏈發展的影響格外深遠。

全球最大半導體設備商美商應材，是台積公司開發此製程的長期合作廠商之一，臺灣區總裁余定陸表示：「台積公司是一家非常有遠見的企業，多年前就已經能夠預見原子層製程技術的需求和潛力，並因應做出長期策略性的籌畫，對於機台設備的效能和成本有極高的要求。」

以雙方合作開發的原子層鍍膜計畫為例，從四、五年前就開始啟動，「這項技術非常困難，所形成的薄膜層僅有幾個原子的厚度，必須做到整片面積極薄、極均勻，可說是挑戰不可能的極限！」余定陸認為，成功關鍵在於台積公司獨特的「開放創新平台」聯盟，使其與供應商在平台上可以密切合作，帶領著整個價值鏈團隊披荊斬棘、不畏艱難地長期投入研究，才得以達到今日的成就。

余定陸也十分推崇章勳明的領導風格，「章副總是一個具有前瞻理念的領導人，對於市場趨勢、台積公司未來的技術方向，以及如何建立與競爭對手的差異化都掌握得非常清楚，讓整個團隊充分了解目標理念與努力的方向，他也善於凝聚共識，給成員很大的自由度，激勵每個人發揮自身最大的能力，促成團隊高效合作。」

不畏挑戰持續突破微縮極限

值得一提的是，原子層製程總共獲得國內外專利高達637 項，註冊公司營業秘密也有3,250項之多，章勳明表示，此製程存在許多Knowhow，工程師申請專利，或在法務處登記營業秘密，可保護創新技術，公司也透過獎金與分紅，以及設立特殊貢獻獎，藉以鼓勵創新。

「我們創辦人常說，台積公司今天的價值，不只來自自己的研發，還來自於我們與客戶的整體研發價值，整體就成為很大的力量，隨時都在改變人類生活。」章勳明不諱言做半導體研發非常辛苦，「不過，看到可以推動數位時代的進步，促成行動裝置、高效能運算、人工智慧、物聯網、車用電子等應用的實現，讓人們生活變得更好，心中也充滿成就感。」他說。

在台積公司這種世界級公司，技術難度的挑戰總是三級跳，章勳明笑說，「二十年前，半導體還在0.5 微米的世代，當時覺得100 奈米是光學極限，現在5 奈米都要量產了，接下來還有4、3、2、1 奈米，挑戰只會愈來愈艱鉅。」他常提醒成員，「不要只把眼前所做的事看成是一種工作，要看成是一種人生，一種不斷挑戰自己、充滿樂趣的人生。」就像是參與奧林匹克比賽，要視自己是國際級選手，不斷挑戰自我。

「這幾年，工作重點就是原子層製程，這次得到國家產業創新獎，是公司頭一回由製程團隊得獎，謝謝經濟部的肯定，也感謝全體成員共同的努力。」章勳明將帶領團隊再接再厲，以原子層製程技術為基礎，持續提升半導體先進製程的深度與廣度，協助晶片設計業者和系統廠商創造優異的晶片產品，拓展的創新應用，為人類生活帶來更多智慧便利。