台积电称霸晶圆代工市场的四大原因
2019-11-22
14:00:12
来源: 半导体行业观察
来源：内容来自「
天下杂志
」，谢谢。
全球经济一片愁云惨雾，多数金融机构都预期2020年，将是金融海啸以来经济表现最差的一年。
对台积电4万多名员工而言，前景却是一片灿烂，如同11月2日，台积运动会举办时，新竹秋高气爽的艳阳天一般。
「明年，将会是大大成长的一年，」董事长刘德音在司令台致词时，慷慨激昂地说。这句话，第二天出现在各大报的头条。如同呼应刘德音的喊话，外资券商也纷纷上调台积的获利预期。
例如，美商伯恩斯坦证券便在3天后，将台积股价从285元上调到330元，并预期2020年、2021年，这两年每股获利将年均成长20%，远高于过去几年的个位数。美国《霸荣周刊》（Barron's）更在10月18日刊出头条新闻，「台积电夺走英特尔的皇冠」。开头就写，台积电开足马力，这对英特尔而言是坏消息。
为何景气低迷时，台积能大踩油门，在未来两年，每年增加约40%的天文数字投资，甚至可望创造较过去高出2、3倍的成长？台积的经营层看到什么？分析师又看到什么？《天下》采访多位相关人士。归纳出四个致胜关键。
第一个理由，也是最直接的，当然是刘德音在股东报告书写的，成功量产七纳米制程，领先其他同业至少一年。并且，今年6月成功量产业界首个商用极紫外光（EUV） 微影制程，也就是第二版本的七纳米技术N7+。
此事意义深远。因为这是史上第一次，台积在一个重要技术转折时，领先群雄。
上一次重要的技术转折——导入3D电晶体（台积、三星称为FinFET，英特尔称为Tri-gate ），台积足足落后英特尔4年，落后三星半年。这回的极紫外光（EUV）之役，却领先英特尔两年，英特尔要到2021年才会导入。
很多改变历史的关键，往往是一些一开始不被注意的小事。而台积这次得以甩开三星、英特尔，关键其实是几颗小到肉眼无法辨识的「灰尘」。
EUV微影制程，是半导体产业期待已久的「救世主」技术。
目前半导体制程的主流光源是氩氟雷射，波长为193纳米，当电晶体尺度已微缩到几十纳米时，就像用一支粗毛笔写蝇头小字一般，生产起来有点力不从心。这也是近几年，摩尔定律即将告终声浪不断的主因。
极紫外光的波长仅有13.5纳米，这支「超细字小楷」波长已经接近X光，世界上多数物体对它而言都是不透明，连空气都会干扰EUV，因此生产机台的内部得抽成真空。
半导体技术，也因此正式进入皮米（picometer）时代，即纳米的千分之一。EUV只能用镜子反射，由德国蔡司产制的反射镜，得做到史无前例的完美无瑕，能容许的瑕疵仅能是皮米大小。这相当于，如果镜面积有整个德国大，最高的突起处不能高于1公分高。
EUV对生产环境洁净度的要求，更是前所未有的严苛。
例如，包括台积自制的光罩基板（mask blank），是一片6吋大小的明亮圆镜，造价数百万。上头80层多层膜反射层，跑进去几颗纳米级的灰尘，都会对芯片良率造成巨大影响。
独家供应EUV机台的荷兰商艾司摩尔（ASML）研发副总经理严涛南表示，现在已经从一开始的100颗，慢慢减少到个位数。若从艾司摩尔的曝光机飘下灰尘，更是不能容忍。严涛南表示，技术规格是，每曝1万片晶圆，只能掉1颗，「我们已经非常接近。」
因为控制灰尘太难，EUV量产阶段的最关键技术，是一片薄如蝉翼，厚度只有50纳米，相当于一根头发直径千分之一的透明薄膜。这片「光罩护膜」（pellicle），用在晶圆生产的光罩上头。用来隔绝细微的尘粒。否则，只要一颗尘粒掉到光罩上，可能导致整批芯片作废。
在10月的法说，当分析师群起追问EUV的进度时。台积总裁魏哲家胸有成竹地说，「我们已经准备好了，」并强调，「台积自己生产光罩护膜。」
因为光罩护膜太难做了，处处得挑战物理的极限。要将矽磨到仅有50纳米厚，但EUV照射时，瞬间局部温度会升到数百度。「有点震动，啪，就裂掉了，」一位供应商说。
光罩护膜一旦破碎，瞬间飘出的细微碎屑会污染生产机台，得花7天整理，形同产线停摆1星期。台积供应商透露，三星跟英特尔都卡在光罩护膜这关，导致EUV生产效率迟缓。
一位供应商表示，台积另辟蹊径，在光罩盒加上特殊的防尘设计，意外发现，可以不靠光罩护膜，就达到一定的良率，便大胆量产。「这有可能，」严涛南表示，虽然他不知道台积最新技术突破的细节，但台积很早就投入研发「不用光罩护膜的方案」。技术瓶颈一突破，台积就开始踩油门，大举量产EUV制程。
EUV微影机每台售价超过1亿美元，是人类史上最贵的「工具机」。尽管台积与艾司摩尔都不揭露台积进了多少EUV机台。根据财政部资料，台湾今年向荷兰进口的「半导体生产设备」暴增，光是今年1到10月，就高达33.8亿美元，相当于过去两年全年进口量。
「张忠谋神话」当中，有个经典篇章。时间是在2009年。
当时金融海啸刚过，景气还在谷底，张忠谋刚回任执行长，看好智慧型手机的未来需求，竟大笔一挥，将翌年（2010年）的资本支出，倍增至59亿美元，大盖当时最先进的28纳米产能。在众人惊呼中，奠定台积日后的高速成长。
10月的台积第二季法说，里昂证券分析师便问台积总裁魏哲家，台积今明两年的大手笔扩建，会不会预期产生，与2010年那次扩建28纳米产能类似的荣景吗？
没想到，魏哲家竟意外地切换到「深刻反省」模式。「我知道你在说什么，」他说，「但我认为，台积已经更加聪明……我们这次扩充产能，经过跟顾客的紧密合作与很详细的分析，我有信心，我们不会再犯过去的错误。」
其实，魏哲家会「误解」分析师的问题，背后另有原因。
「这次的扩产，其实台积内部有不同声音，」一位外资分析师解释。28纳米制程是台积史上最成功的制程。但后期因过度扩建、同业杀价竞争，现在反而成了台积最大的累赘。今年上半年毛利率偏低，主要就是28纳米产能利用率「非常低」的拖累。
因为担心如此大规模的投资，会重蹈28纳米「先盛后衰」的覆辙，台积内部规划部门一开始抱持反对意见，「而且一路呈到最上面，」一位分析师说。但最后刘德音、魏哲家还是决定「大踩油门」。另一个重要理由是，竞争者追不上，因为「EUV的技术门槛远远比28纳米的高介电金属闸极（HKMG）要高，」魏哲家说。
但奇怪了，EUV早年可是英特尔一手扶持的技术，2012年，艾司摩尔研发进度延宕，台积还与英特尔、三星三巨头各出102亿元台币资助。大家都出钱出力。为什么台积对该技术特别有信心？
答案是：因为台积对这个梦幻技术量产的实质投入最多。
艾司摩尔的研发副总严涛南是活生生的见证。他曾是台积20多年的研发老将，曾任主导台积EUV研发的资深处长，两年前才加入艾司摩尔。他早在1990年代后期，就跟当时长官林本坚赴美观察EUV的进展。「那时台积不大，但是研发就已经看得很远了，」严涛南说。
接下来，他派一个研究员去比利时的爱美科（Imec）半导体研发机构，参与和艾司摩尔合作的开发案，一开始状况很不乐观，实验机台有大部份时间，都处于故障状态。两年时间，只寄回来20片晶圆。「但是绘制的线图非常漂亮，」所以当时刚回锅的资深研发副总蒋尚义，就批准买一台样机研究。
要让EUV实际上阵量产，难题无数，其中最棘手是如何产生足够强度且稳定的光源。目前的方法，简直像是做高能物理实验一般。在真空环境用超高能量的雷射，射击一滴滴仅有细菌大小的锡滴，锡滴会瞬间气化，变成高热的电浆，同时产出EUV光线。
整个反应过程，浪费许多能量，因此最后输出功率极低，甚至有好几年停留在40瓦，距离250瓦的量产目标甚远。业界不少人因此质疑，EUV永远无法进晶圆厂量产。
2014年9月，是一个分水岭。严涛南牢牢记得那个晚上，他在新竹厂里加班，跟艾司摩尔工程师一起尝试，最后看到90瓦输出功率，大为振奋。
他立刻将结果带到10月在美国华盛顿举行的业界盛会EUVL Symposium发表，引起台下听众一阵惊呼。为了确认稳定性，研发资深副总罗唯仁立即要求，每天用EUV生产500片晶圆，连续生产1个月。
达成之后，严涛南总算松了口气，EUV量产应该是八九不离十了。
一位业界资深人士分析，三星与英特尔主要生产自家产品，尤其是英特尔处理器毛利率高达70%，可以忍受缓慢的生产速度，因此「英特尔（对EUV）的态度比较保守。」
但是为客户产品代工的台积无法如此，因此全力协助艾司摩尔研发，要提升到每小时125片的量产速度，也就是250瓦的输出功率。
「如果一直只有40瓦，那（台积）就没有戏唱啊，我们就一直push、一直push，」严涛南说，多数艾司摩尔的EUV技术突破，都是千里迢迢地从美国或荷兰，拿到竹科12厂的研发工厂，完成首度量产测试。
尽管如此，一个封装大厂主管透露，台积的EUV版7纳米虽已量产，但良率其实不佳，只有50%左右，形同切割出来的芯片，两片只有一片能用。这也是台积7纳米产能吃紧的一大原因。
因此，台积在今年追加的40亿美元左右的资本支出，其实有15亿用来扩增7纳米产能，其他25亿，才是用在明年第一季就要量产的5纳米产能。
抢不到台积产能，「前阵子很多人跑到三星看，去找备胎，」这位封装大厂主管说，「但是台积老神在在。」
尽管三星「宣称」已在去年底量产采用EUV的7纳米制程，但却因为良率问题。「所以大家看了之后，又回来台积排队，」他表示。
因为记忆体景气低迷，三星近来加码晶圆代工事业。在今年4月发表「半导体愿景2030」，宣布要在2030年达到记忆体之外的半导体业务世界第一的目标，打败英特尔、台积。
三星更随后预告，将跳过5纳米，直接在3纳米制程导入全新的「环绕式闸极结构」（Gate-All-Around，GAA），借着重新设计电晶体底层结构，可让尺度减少45%、性能提升35%、电力消耗减少50%——几乎等于摩尔定律微缩一个世代的好处。
而且，三星公告的量产时间是2021年，竟然比台积3纳米的预定量产时间还早一年。
当真孰可忍孰不可忍。7月份的台积法说，刘德音当众吐槽三星，他指出，台积的5纳米跟3纳米，都是货真价实的「全节点微缩」（full-node shrink），「这跟我们竞争对手的技术蓝图不一样喔，所以你如果比较他们的『3』，其实是跟（台积的）『5』比较接近。」
一位外资分析师解释，刘德音这段话暗示，三星「偷斤减两」，利用换上全新的电晶体结构，效能大幅提升之际，假装再微缩一个世代，称为3纳米，其实实际尺度仅较7纳米微缩一个世代，与台积明年第一季量产的5纳米同一等级。所以台积还是领先三星。
而且，一位台积前任研发主管透露，台积研发GAA结构已有10多年历史。
甚至早在2004年，台积就在半导体业界知名的「国际超大型积体电路技术研讨会」（VLSI）发表论文，公开以GAA技术设计的5纳米电晶体。「只看台积要不要在（3纳米）这时候就拿出来，」这位主管说。
所有高科技公司最大的梦魇，就是所处的领域的技术演进已到尽头，即将进入「传产化」（commoditization）的枯燥地狱，原本落后的追兵会一拥而上，价格一落千丈。例如现在的太阳能、LED。
2016年，当时还担任台积董事长的张忠谋，接受《天下》专访时表示，摩尔定律停止的时间点，可能会在2025年左右，停在2纳米制程。
现在，距离这个「大限之日」只剩6年，台积也已经着手研发2纳米。（延伸阅读：地表最接近工业4.0！台积电两大独门武器首度公开）
在台积运动会后的记者会，《天下》再问心情很好的张忠谋，还坚持他当年的末日预言吗？他笑咪咪地回答，他已经不再预测摩尔定律的结束日期，「这种东西要怎么说呢，就是『山穷水尽疑无路、柳暗花明又一村』。」
刘德音随后补充，台积有信心做到1纳米以下，更重要的是——他举了微软执行副总沉向洋前一周在台湾半导体协会（TSIA）年会的演讲为例，「沉向洋的keyword就是，『在AI的世界，计算能力永远是不够的』（computing power is never enough）。」
「永远不够，」刘德音又强调一次，「这是我们驱动最尖端科技的一个confirmation（保证）。」这其实呼应张忠谋过去的说法，摩尔定律其实是个经济定律，如果市场不愿付钱买最新技术，摩尔定律自然走不下去。
例如，过去一直有人质疑，除了苹果、高通，还有谁用得起、或者需要用昂贵无比的3纳米技术？
但进入AI、5G（AI的通路）的时代，登时「柳暗花明又一村」。答案变成：每一家公司。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2136期内容，欢迎关注。
『
半导体第一垂直媒体
』
实时 专业 原创 深度
识别二维码
，回复下方关键词，阅读更多
FPGA
｜苹果
｜台积电
｜射频
｜
ASML
｜
集成电路
｜
存储｜晶圆
回复
投稿
，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》
回复
搜索
，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！
责任编辑：Sophie
