解密台积电(TSM.US)称霸晶圆代工市场的杀手锏

本文来自“天下杂志”。原文标题《台积电电称霸晶圆代工市场的四大原因》。

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。

对台积电电(TSM.US)4万多名员工而言，前景却是一片灿烂，如同11月2日，台积电运动会举办时，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电的获利预期。

例如，美商伯恩斯坦证券便在3天后，将台积电股价从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。巴伦更在10月18日刊出头条新闻，”台积电电夺走英特尔的皇冠”。开头就写，台积电电开足马力，这对英特尔(INTC.US)而言是坏消息。

为何景气低迷时，台积电能大踩油门，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？台积电的经营层看到什么？分析师又看到什么？我们采访多位相关人士，归纳出四个致胜关键。

致胜关键1 率先突破技术瓶颈

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，台积电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（台积电、三星称为FinFET，英特尔称为Tri-gate ），台积电足足落后英特尔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。而台积电这次得以甩开三星、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。

对抗制程的”老鼠屎”：纳米灰尘

EUV对生产环境洁净度的要求，更是前所未有的严苛。

例如，包括台积电自制的光罩基板（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。台积电总裁魏哲家胸有成竹地说，”我们已经准备好了，”并强调，”台积电自己生产光罩护膜。”

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。台积电供应商透露，三星跟英特尔都卡在光罩护膜这关，导致EUV生产效率迟缓。

那台积电如何过关？

一位供应商表示，台积电另辟蹊径，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，虽然他不知道台积电最新技术突破的细节，但台积电很早就投入研发”不用光罩护膜的方案”。技术瓶颈一突破，台积电就开始踩油门，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”。尽管台积电与艾司摩尔都不揭露台积电进了多少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。

致胜关键2 乘胜加码投资，靠EUV狠甩对手

“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，奠定台积电日后的高速成长。

10月的台积电第二季法说，里昂证券分析师便问台积电总裁魏哲家，台积电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？

这题其实是做球给魏哲家。

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，台积电已经更加聪明……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，其实台积电内部有不同声音，”一位外资分析师解释。28纳米制程是台积电史上最成功的制程。但后期因过度扩建、同业杀价竞争，现在反而成了台积电最大的累赘。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，台积电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。

研发眼光长远，种下好因

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，台积电还与英特尔、三星三巨头各出102亿元台币资助。大家都出钱出力。为什么台积电对该技术特别有信心？

答案是：因为台积电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。他曾是台积电20多年的研发老将，曾任主导台积电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。”那时台积电不大，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。

“这是我这辈子最兴奋的一个晚上，”他回忆。

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。

为什么不是在三星，或者英特尔？

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电无法如此，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（台积电）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。

致胜关键3 台积电高良率力克对手

尽管如此，一个封装大厂主管透露，台积电的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。这也是台积电7纳米产能吃紧的一大原因。

因此，台积电在今年追加的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。

抢不到台积电产能，”前阵子很多人跑到三星看，去找备胎，”这位封装大厂主管说，”但是台积电老神在在。”

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，又回来台积电排队，”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、台积电。

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，竟然比台积电3纳米的预定量产时间还早一年。

当真孰可忍孰不可忍。7月份的台积电法说，刘德音当众吐槽三星，他指出，台积电的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（台积电的）”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，与台积电明年第一季量产的5纳米同一等级。所以台积电还是领先三星。

而且，一位台积电前任研发主管透露，台积电研发GAA结构已有10多年历史。

甚至早在2004年，台积电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。”只看台积电要不要在（3纳米）这时候就拿出来，”这位主管说。

致胜关键4 抓紧AI强大需求，直攻1纳米

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，当时还担任台积电董事长的张忠谋，接受专访时表示，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，台积电也已经着手研发2纳米。（延伸阅读：地表最接近工业4.0！台积电电两大独门武器首度公开）

在台积电运动会后的记者会，记者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，台积电有信心做到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(AAPL.US)、高通(QCOM.US)，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。

(编辑：李国坚)