認識半導體與晶片產業
1. 前言
台積電斥資在美國亞利桑那州鳳凰城興建5奈米先進製程晶圓廠，引起普遍關注，半導體是什麼？茲運用SEMI Taiwan所撰《半導體是什麼？晶片產業一次看懂》資料，整理如下：
2. 認識半導體和半導體元件
半導體是一種材料，具有特殊的電子性質，介於導體和絕緣體之間。半導體的電導率可以透過外部施加電壓來改變，這種特性讓半導體成為現代電子產品的核心。
半導體元件則是使用半導體材料製作的元件，包括二極體(Diode)和電晶體(Transistor)。二極體是一種單向開關，可以控制電流只能在單一方向通過；而電晶體是一種雙向開關，可以控制電流在兩個方向通過。
半導體元件可以視為半導體的細胞，是製造積體電路(IC)的最基本單位，透過排列組合可以實現設計人員想要的功能。現代科技產品，如手機、電腦、智慧家電、物聯網等，都離不開半導體元件，因此半導體技術對於現代社會的發展有著重要的影響。
半導體元件是絕大多數現代科技應用的大腦與心臟，我們天天都會用到的手機、電視、個人電腦、各種家電產品，甚至是人工智慧(AI)、5G或物聯網，都離不開半導體元件。
3. 常見的半導體材料
3.1. 元素半導體 - 矽(Si)
半導體材料種類繁多，我們最常聽到、應用也最普及的，是基於矽的半導體。矽是地球上隨處可見的元素，不僅容易取得且價格低廉。這使得矽在發展半導體技術初期便自然而然地成為主流材料，直到現在仍是最具商業應用影響力的半導體材料。
3.2. 化合物半導體(Compound Semiconductor)
與常見的矽(Si)半導體不同，化合物半導體由兩種或以上元素結合而成。化合物半導體具有比矽半導體更優異的電子傳輸特性，因此被廣泛應用在高速、高頻率、高功率和高亮度的電子元件中。常見化合物半導體如：由化合物構成的半導體材料，其中化合物通常由兩種以上元素的原子構成，依構成的元素不同，具備不同的材料特性。
3.4.砷化鎵(GaAs)：電子移動率比矽更快，具高頻特性，且耐高電壓、高溫。特別適合應用於需要極高開關速度的元件，例如射頻(RF)元件，在5G時代有極高的發揮空間。
3.5.氮化鎵(GaN) 、碳化矽(SiC)：這兩個寬能隙化合物半導體，都具有比矽更高的操作頻率，而且因為能隙更寬，可以耐受更高的電壓，所以在大功率傳輸應用方面被視為極具發展潛力的新秀，也因此在電動車爆紅之後，進入大眾視野成為熱門科技關鍵字。
4. 半導體產業的重要關鍵：半導體製程
半導體製程或許是一般人最常聽到的半導體術語之一，尤其是製程節點(Process Node)，例如28奈米、7奈米等。但半導體製程一詞，其實涵蓋了製造IC的一整個流程、數百道加工步驟。
半導體製程步驟可以粗分成微影、蝕刻、沉積、摻雜與平坦化等實際在晶圓上製造出電路的製程步驟，以及穿插在這些步驟之間的清洗製程，統稱為前段製程。晶圓製作完成後，還需要經過切割、測試、封裝等後段步驟，才會變成我們所看到的晶片。
4.1.半導體製程 – 晶圓尺寸為成本關鍵
半導體製程中最花時間的就是前段製程。一張空白晶圓從投片到生產完畢，短則數十天，長則超過一百天。因此，一片晶圓上能製造的晶片數量越多，理論上生產效率就越高，成本也越便宜。
要在單一晶圓上生產更多晶片，有兩種方法。一是用更大尺寸的晶圓來生產，另一個則是把晶片尺寸做小，讓一片晶圓上可以塞進更多晶片。但前者會涉及到十分複雜的製程控制問題，設備投資也極其昂貴，因此在晶圓生產線進入12吋世代後，遲遲未能走向18吋世代。因此，製程微縮變成現階段提高晶片生產效率、降低成本的主要方式。把電路做得更細小，意味著晶片的尺寸也會跟著縮小，從而能在一片晶圓上生產出更多晶片。
4.2.半導體製程 – 先進製程與成熟製程的劃分
所謂的先進製程，就是指可以把電路做得更細小的製程技術。但隨著科技與時俱進，先進製程的定義也是不斷改變的。目前業界通常將10奈米以下視為先進製程，10奈米以上則稱為成熟製程。
5. 半導體產業發展與台灣半導體的產業影響力
台灣半導體產業經過長期發展已成為全球重要的半導體製造中心，並且為台灣的經濟發展作出了巨大貢獻。從初期的半導體製造到現在產業鏈的全面發展，包括IC設計、晶圓製造、封裝測試等，已形成完整的供應鏈。台灣半導體產業不僅是全球最大的晶圓代工（以台積電為龍頭），並擁有許多知名的IC設計公司，例如聯發科、瑞昱等，成功結合了技術、產業和市場，在全球供應鏈中發揮著重要作用，為全球半導體產業不可或缺的一環。
5. 半導體產業發展與台灣半導體的產業影響力
台灣半導體產業經過長期發展已成為全球重要的半導體製造中心，並且為台灣的經濟發展作出了巨大貢獻。從初期的半導體製造到現在產業鏈的全面發展，包括IC設計、晶圓製造、封裝測試等，已形成完整的供應鏈。台灣半導體產業不僅是全球最大的晶圓代工（以台積電為龍頭），並擁有許多知名的IC設計公司，例如聯發科、瑞昱等，成功結合了技術、產業和市場，在全球供應鏈中發揮著重要作用，為全球半導體產業不可或缺的一環。
6. 電晶體及積體電路發明
半導體產業的誕生與茁壯，跟電晶體及積體電路的發明，有密不可分的關係。1947年貝爾實驗室製造出人類第一顆電晶體，讓收音機、計算機等電子產品的微型化成為可能。在這個基礎之上，德州儀器(TI)的基爾比(Jack Kilby)與快捷半導體公司(Fairchild)的諾伊斯(Robert Noyce)各自發展出將電晶體等電子元件整合成單一裝置的IC製造方法，決定了今天積體電路的樣貌。
6.1. 微處理器
為了滿足多樣化的運算需求，現代的微處理器已經走上分歧發展的道路。除了泛用性最高的CPU之外，還有專門用來處理圖形運算的GPU、執行數位訊號處理的DSP等專門為了執行特定任務而設計的微處理器。
6.2. 晶圓代工模式
晶圓代工模式的誕生，是半導體產業發展上的另一個重要轉折。1986年，為培植台灣本地的半導體產業，政府決定由工研院主導，與荷蘭飛利浦共同成立一家專門從事半導體製造的公司，並交由時任工研院院長的張忠謀負責。這家公司就是如今叱吒全球半導體製造市場的台積電。
6.3. 台灣擁有最完整的半導體產業聚落
台積電的誕生，標誌著半導體的設計跟製造可以分割開來，實現專業分工。半導體產業的進入門檻，也因為IC設計模式的出現而降低，讓半導體產業能進一步蓬勃發展。而在台積電的示範下，不僅製造端，下游的封裝測試很快也走向專業分工的道路，並且在台灣形成完整的產業聚落。如今，在台灣這片3.6萬平方公里的小小土地上，已匯集了設備、材料、晶圓製造、封裝測試與IC設計產業，成為世界上密集度最高，運作最具效率的半導體產業族群所在地。
6.4. 專業分工是目前半導體產業的主流方向
因為專業分工，每家廠商可以集中所有資源，把自己選定的市場跟技術發展到極致，從而獲得競爭優勢。半導體產業是一門極專業的科技，唯有專注才能成就卓越，台積電的7奈米、5奈米與3奈米製程不僅準時推出，而且性能、良率都優於競爭同業，就是最好的例子。
6.5. 全球半導體設備及材料市場概況
半導體應用的蓬勃發展，使得半導體製造成為一個巨大而且深具戰略意義的產業。除了半導體製造之外，相關支援產業如原物料、化學品及設備，也是半導體製造業不可或缺的區塊。
半導體材料包含：矽晶圓、各種化學品與氣體，以及導線架等封裝材料三大類，其中又以矽晶圓占比最大。根據SEMI的統計數據，2021年全球半導體材料市場營收成長15.9%，達到643億美元，再度刷新了2020年創下的555億美元紀錄。
半導體設備方面，據SEMI公布的全球晶圓廠預測報告(World Fab Forecast)，2022年全球前端晶圓廠設備支出總額將較前一年成長18%，來到1,070億美元的歷史新高，繼 2021年成長 42%之後，已連續三年大漲。
SEMI 為一全球化的半導體產業協會，自 1986 年以來，通過各種數據收集計劃與 SEMI 會員密切合作，持續追蹤半導體設備、材料市場動態，為全球半導體產業提供及時的市場洞察。SEMI 的市場研究報告擁有超過 1,000 家客戶，包含設備製造商、設備供應商、材料供應商到研究和金融機構，為值得信賴的市場數據來源。
6.6. 半導體產業的ESG永續轉型
在ESG浪潮的推波助瀾下，整個科技供應鏈都肩負進一步降低碳排放量，最終達成淨零碳排目標的使命。因此，ESG永續轉型也將是半導體產業發展的必然趨勢。
除了擴大採用再生能源，讓半導體製程中所使用的電力也變「綠」以外，如何在半導體元件製造過程中更有效率地利用化學品和耗材等資源，也是產業很早就開始努力的方向。半導體產業供應鏈以SEMI作為凝聚產業共識的平台，制定出一系列產業標準，力求減少半導體製造過程中的資源用量，更進一步導入循環經濟的概念，將製造過程中所使用的資源盡可能回收再利用，並獲得巨大成果。
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