台积电(TSM.US)与三星3纳米制程之战进入白热化阶段

本文来自微信公众号“全球半导体观察”。

台积电(TSM.US)2020年中宣布，将在美国亚利桑纳州斥资120亿美元兴建5纳米制程晶圆厂，并预计2023年正式量产。此外，三星日前也宣布计划斥资100亿美元在美国德州奥斯汀兴建新晶圆厂，新晶圆厂打算以3纳米制程切入，力压台积电亚利桑纳州5纳米厂。市场人士分析，三星举动使3纳米制程的战争日趋激烈。对三星来势汹汹，台积电似乎胸有成竹，有机会能在3纳米制程的竞赛中立于不败之地。

市场人士指出，虽然在5纳米制程方面，三星已经赶上了台积电的脚步，于2020年正式量产。但在3纳米制程上，三星似乎还是落后于台积电。因为相关报导指出，台积电已经为其3纳米制程的晶圆厂方面投资了200亿美元。所以，为了缩短差距，三星正加紧3纳米制程的研发。

不过，由于3纳米制程技术难度极大，如果三星美国工厂计划生产3纳米制程芯片，依照正常进度，目前还处于初步计划阶段的德州奥斯汀的晶圆工厂，在2023年前还难以正式量产。相较于台积电的3纳米制程将于2021年进行试产，2022年量产，这对于力求赶超台积电的三星来说，压力依然不小。所以，预计三星要量产3纳米制程，则仍将会以韩国境内的旗下晶圆厂为优先。

以晶圆厂建置方面来说，台积电董事长刘德音曾经表示，3纳米制程技术，于南科厂的累计投资将超过新台币2万亿元，目标是3纳米制程在2022年量产时，单月产能5.5万片起，2023年，则是达到10.5万片。

目前台积电在南科有3座晶圆厂，分别是晶圆14厂、晶圆18厂和晶圆6厂。其中，前两座是12英寸晶圆厂，后一座是8英寸晶圆厂。晶圆18厂是5纳米制程的主要生产基地。而除了5纳米制程之外，台积电3纳米制程的晶圆厂，也建在南科内。2020年11月，台积电举行了南科晶圆18厂3纳米制程厂新建工程上梁典礼。

至于，在三星方面，2020年初有外媒报导称，三星已开始在其新建的V1晶圆厂中进行大规模生产，成为业界首批采用极紫外光曝光设备(EUV)的6纳米和7纳米制程技术生产线，而且该工厂还被认为是三星接下来3纳米制程生产的主要基地。而三星V1晶圆厂位于韩国华城、毗邻S3工厂。三星于2018年2月开始建造V1晶圆厂，并于2019年下半年开始芯片的测试生产。目前，该公司还在扩大V1晶圆厂的产能规模，也在紧锣密鼓地为3纳米制程的量产积极做准备。

除了晶圆厂的建置，设备的采购也是先进制程竞争的关键。而为了如期量产3纳米制程，台积电一直在加大投资力道，2021年全年投资预估达到了280亿美元，预计超过150亿美元会用于3纳米制程。其中，很大一部分都要用于购买半导体设备，其中主要的采购厂商包括了ASML(ASML.US)、KLA、应用材料(AMAT.US)等，他们供应的曝光机、蚀刻机等都是制造3纳米制程的重要设备。

根据统计，全球排名前5的半导体设备供应商在台积电采购中占比达75%。其中，ASML占比1/3，是第一大设备供应商。据统计，2019年台积电设备采购中，ASML曝光机等设备金额约为34亿美元，占台积电总采购额的33%，其次是应用材料，采购额约为17亿美元，占比16%，TEL(TEL.US)的12亿美元则是占11%，Lam Research为10亿美元，占台积电采购额的9%，KLA则是占4%。

对于3纳米制程这样尖端的制程技术来说，曝光机显得尤为重要，而能提供EUV设备的目前只有ASML一家。因此对台积电和三星的重要性也愈加突出，双方都在尽可能地从ASML中多获得一些最先进EUV设备。

不久前ASML执行长Peter Wennink在财报会议上指出，5纳米制程采用的EUV光罩层数将超过10层，3纳米制程采用的EUV光罩层数会超过20层。因此，随着制程微缩，EUV光罩层数会明显增加，并取代深紫外光(DUV)多重曝光制程。

日前ASML公布2020全年财报。根据数据显示，2020年累计运交258台曝光机，其中EUV曝光机31台。显然的，台积电和三星订购了ASML大部分EUV曝光机。

在先进制程中，还有一项不得不提的重点，那就是封测技术的发展。近来，台积电一直在布局先进封测厂。目前旗下有4座先进封测厂，分别是先进封测1厂、先进封测2厂、先进封测3厂和先进封测5厂，它们位于竹科、中科、南科、龙潭等地，苗栗竹南则是预计投资新台币3,000亿元，开始兴建第5座先进封测厂。

市场人士预估，目前台积电7纳米制程芯片的封测工作已经能够自给自足，而5纳米制程也在不断扩充之中，未来针对3纳米制程的封测产线也在建设当中。

而除了产能之外，在技术方面，为了满足5纳米及更先进制程的需求，台积电也已建立了整合扇出型(InFO)及CoWoS等封测产能来支援，并完成了3D IC封装技术研发。这其中包括晶圆堆叠晶圆(WoW)及系统整合单芯片(SoIC)等技术，预计竹南厂将以3D IC封装及测试产能为主，计划2021年进行量产。

最后，在成败关键的客户方面，根据日前媒体报导，由于芯片制程技术的领先，目前已经有许多客户正在排队等待台积电的产能供应，已知的有包括英伟达(NVDA.US)和高通(QCOM.US)正在洽谈台积电3纳米制程技术的产能。

而为了因应市场的需求，有消息指出，台积电共为3纳米制程准备了4波产能，首波产能将大部分会留给多年的大客户苹果(AAPL.US)，之后3波则将被高通、赛灵思(XLNX.US)、英伟达、AMD(ADM.US)等厂商预订一空。

因此，整体来看，除了苹果的A17处理器、以及英特尔将外包的CPU订单之外，包括AMD、英伟达，以及2020年转向拥抱三星5纳米的高通等芯片大厂都已经预定了台积电3纳米制程在2024年之前的产能。

虽然之前有韩媒报导，三星的3纳米制程也将预定在2022年量产，时间点就是要与台积电一较高下。而就目前已进入2021年，按照台积电的计划，今年就要进行3纳米制程的风险试产，并在2022年量产的情况下，三星预计也将势必加快脚步。

因此，这两大晶圆代工厂的3纳米制程战争几乎已进入倒计时的阶段，所以在接下来的一年多时间里，两家顶尖厂商预计将会提出更多的消息，值得进一步期待。

(编辑：吴晓文)