臺積電 三星電子3納米制程爭霸戰

最近幾個月來，三星電子的晶圓代工業務屢傳佳報，奪下輝達(Nvidia)、高通等先進制程大單，氣勢如虹。

 

繼高通5G 的Snapdragon 875、X60后，高通最近發表的5G 旗艦晶片Snapdragon 888 也采用三星電子的5納米制程代工。這顯示三星電子的5納米制程已經克服外界傳聞的良率不佳的瓶頸，才能獲得高通的訂單。

 

輝達的GeForce RTX 30系列顯卡的GPU，采用三星電子8納米制程代工。三星電子能夠獲得高通、輝達等大廠先進制程的訂單是很正常商業行為的發展。

 

三星電子是全球「唯二」有能力生產10納米以下制程晶片的晶圓代工廠之一，客戶為分散風險，以及取得議價空間，往往會有第二家供應商的考量。

 

盡管三星電子陸續奪得一些重要客戶高階制程的訂單，目前臺積電的晶圓代工業務仍大幅領先三星電子。

 

臺積電7納米、5納米的訂單供不應求，目前7納米制程產能約每月12萬片，5納米制程產能約每月9萬片。為了應付客戶強勁的需求，臺積電積極擴充先進制程產能，預估明年7納米產能可增加到約每月14萬片，5納米產能約每月10.5萬片。

 

先進制程是驅動臺積電營業額成長的最大動力，今年第三季，7納米制程占臺積電營業額高達35%，甫于今年第2季開始量產的5納米制程，第3季的營業額占8%，16納米制程占18%。16納米及更先進制程在今年第3季，合計占臺積電61%營業額，由此看來先進制程可說是臺積電的命脈。

 

接連接到高通、輝達、IBM等大客戶訂單后，三星電子信心滿滿，最近三星電子少主李在镕，親赴荷蘭ASML總部訪問，要求ASML提前交付三星電子已訂購的9套EUV設備，以確保三星電子的5納米、3納米制程能夠如期量產。

 

三星電子晶圓代工事業部副社長，對外宣稱將于2022年量產3納米制程晶片，并且目前已經與供應商合作開發初期設計工具。對比臺積電將于2022年下半年量產3納米的時程，三星電子似乎在3納米的量產進度超越臺積電。然而根據以往三星電子對先進制程量產進度公布的時程，與實際量產時程，往往有不小落差，因此在3納米制程，臺積電、三星電子孰快孰慢，尚待時間證明。

 

臺積電董事長劉德音于上月底在南科3納米廠上梁典禮中宣示，臺積電3納米制程將于2022年量產，初期每月產能將達5.5萬片，2023年3納米制程產能將擴充到每月10.5萬片。這不僅表示臺積電對3納米制程推進時程信心滿滿，而且應該有客戶承諾預訂產能。

 

進入3納米制程，對晶圓廠而言，將有不小的挑戰。20納米以下制程，半導體進入FinFET (鰭式場效電晶體)結構，與之前的MOS結構不同，這一關，卡到不少晶圓制造廠，聯電、格芯、中芯等，皆曾在此節點面臨障礙。

 

FinFET結構一路從16/14納米微縮到5納米，技術障礙不少，臺積電一路「過關斬將」領先群倫，成為先進制程的火車頭，這不僅創造臺積電輝煌的業績，也為高科技添加柴火，成為推動5G、人工智慧等新科技的推手。

 

進入7納米制程，微影曝光設備開始面臨考驗，原本DUV(深紫外線)微影機的解像度無法以單次曝光，來完成微影顯影的目的，必須使用多重曝光方能達成。

 

另一解決方式是采用EUV(極紫外線)微影機。相較DUV采用EUV可以減少光罩的數目，而且可提升制程效能。

 

臺積電采保守的作法進入7納米制程，臺積電于2018年使用DUV成為全球第一家量產7納米制程晶片的公司，2019年臺積電方導入EUV，量產7納米制程。

 

三星電子號稱于2018年年底，開始量產7納米EUV制程晶片，不過似乎沒有客戶采用，合理的推測是產能、良率皆無法達到客戶的需求。直到2019年年底，三星電子的7納米制程方真正進入量產，與原先公布的時程，約相差1年。

 

三星的5納米制程，應該確定在今年下半年量產，否則高通不敢將總數量達數億顆的IC交給三星電子代工。

 

3納米制程這個節點，如果直接使用現有ASML的EUV微影機，單次曝光恐無法達成，必須使用雙重或多重曝光，這不僅會增加光罩的數目，而且微影機臺的吞吐量也會減少。

 

解決之道是使用ASML新開發的高數值孔徑( High NA)的EUV，ASML首臺高數值孔徑的EUV EXE:5000 預計將于2022年推出，接著另一臺升級版的EXE:5500可望于2024年問世。

 

盡管新的高數值孔徑EUV，推出時間可以趕上臺積電、三星電子3納米制程的量產時間。不過由于新機導入至少須1到2年的測試，因此在2024年前，3納米制程恐須使用多重曝光技術。

 

三星電子急于跟ASML高層連系，除了催貨外，另一目標恐怕是希望ASML提早釋出高數值孔徑的EUV給三星電子，企圖領先臺積電搶得先機。

 

進入3納米的另一難題是FinFET結構似乎已走到盡頭，在這么小的間距下，容易有漏電等問題。

 

三星電子在2019年宣稱將在3納米制程導入GAA (環繞閘極)結構，相對地臺積電在3納米仍繼續采用FinFET結構，直到2納米制程方采用GAA結構。

 

GAA結構的效能較FinEET結構佳，臺積電在3納米沒有直接使用GAA，主要的原因可能是保守的策略，確保3納米能在2022年量產。

 

三星電子是一家資源豐碩，企圖心高，執行力強的超級公司，盡管臺積電在上半場，表現優異甩開三星電子的追擊。三星來勢洶洶，企圖搶走臺積電晶圓代工龍頭的寶座，臺積電必須步步為營方能保持戰果。