三星EUV布局未若預期 未來先進製程仍將持續苦追台積電

EUV機台。資料來源：ASML

在經歷過14/16nm製程節點的激烈競爭之後，諸如格羅方德(Global Foundries)以及聯電(UMC)都紛紛退出更先進製程的發展，而目前晶圓代工廠中也僅有台積電和三星仍持續推進節點技術，另外，英特爾(Intel)在2019年也終於要推出與台積電7nm技術同級的10nm製程，然而要普及到英特爾所有產品線仍要等到2020年左右。

台積電從DUV跨到EUV  產能和成本將有明顯改進

現有台積電7nm基於多重曝光技術，也就是使用DUV(深紫外光)機台，對晶圓進行4次的重複曝光，以求取電晶體的微小化，這是在EUV(極紫外光)機台因為技術研發瓶頸，在產能和良率難以突破之下，所以選擇了成熟的DUV技術來達成。

但問題是，使用DUV加上多重曝光技術，雖然可以達到7nm的密度，但因為工序增加，成本也大幅提升，根據計算，台積電的7nm相較起10nm，在單一晶圓的製造成本上增加了至少18%，而如果以晶片成品來比較，同樣電晶體規模的晶片以7nm，將會比10nm高出11.5%，過去通過製程的微縮，單一晶片的成本會明顯下降，而這是在晶片製造的歷史上，第一次晶片的成本會比舊製程高的狀況。

為了解決高成本問題，避免被三星追上，台積電也正積極跨到EUV機台。當EUV機台成熟，作為目前營收主力的7nm製程成本就可以有效下降。機台本身的成本支出其實還是非常高昂，畢竟單一EUV機台成本就需要上億美元，這與使用舊有DUV機台的多重曝光版7nm相較之下，所需要分攤的設備成本就比較高。

但其來自兩方面的成本下降效應，仍是對客戶相對有利。首先就是工序的減少，採用EUV機台製造的7nm在工序方面比DUV版本7nm減少了至少3成以上，理論上生產效率能大幅提高。

另一方面，採用EUV還可以進一步帶來密度的提升，這是因為DUV加上浸潤式曝光只能進行單向微縮，EUV才能進行雙向，而根據台積電在股東會上給出的資訊，採用EUV製程的7nm+將比DUV版增加至少17%的密度。

台積電也計畫推出7nm的衍生版本6nm，6nm會分為既有7nm的升級版，以及採用EUV的升級版，既有的DUV升級版可以沿用既有7nm的晶片設計規則，有效降低成本，而EUV則是在提升密度的同時，又兼顧成本的下降。

台積電預計在今年下半年開始量產第二代7nm產品N7+，與第一代的最大差別，在於使用了EUV機台，工序可以大幅減少，不過在晶片的電氣特性上改進有限，主要就是密度更高，耗電更低。屬於正常程度的演進，並沒有天差地遠的改變。

三星EUV實現量產  但良率表現依舊落後於台積電

而三星在2018年宣稱量產基於EUV的7nm製程，但目前看來也僅是小量試產，其最新的Exynos9825乃是基於9820的基礎，僅是改變製程，產能也還沒拉上來，在最新的Note 10手機產品中，大部份都採用高通的Snapdragon 855，僅有一小部份的市場會使用基於9825的產品。

雖然就實際而言，三星宣稱實現了量產的承諾，但三星所謂量產的定義與台積電並不一致，尤其在良率標準的設定方面，三星要遠低於台積電，9825的小量供應亦僅能視為驗證製程的副產品，談不上真正量產。

而近日三星也傳出其為高通代工的7nm產品因良率太低而全部報廢，而台積電的N7+目前也已經開始穩定量產，很快就會貢獻營收，就結果論，台積電的EUV進展仍優於三星。

7nm之後的發展

三星和台積電在5nm和7nm都是採用同步發展的策略。畢竟5nm可以說是現有材料和製程技術下的極限，7nm使用的EUV機台還是可以沿用，但要進一步微縮的話，在晶體管材料和結構就必須有所變革，否則很難再繼續下去。

台積電的5nm預期要在2020年量產，目前已經在進行風險試產，而三星則沒有公布其5nm具體的量產時程，但如果以其7nm的時程預估，恐怕也不會早於2021年。

台積電和三星針對3nm製程的布局已經開始，技術研發和建廠工作也早就在進行，而相較於三星的高調，台積電並沒有過多的揭露其技術底細，但基本上還是會以GAA(Gate All Around)為基礎，而台積電也同樣預估3nm的量產時程會在2022年。

三星在其論壇上進行的紙面3nm技術發布看起來相當具有說服力，但是搭配過去三星的量產時程承諾，其實又有點令人質疑。但不可否認的是，三星和台積電基本上還是屬於晶圓製造的第一線技術領導者，二者的差別還是在於技術細節的掌握以及市場化的能力。

然而展望未來，3nm這個世代恐怕會是繼16nm後的長壽製程，3nm之後，還需要在晶片結構與機台技術上有更進一步的發展。而根據設備大廠ASML的計畫，第二代EUV機台，也就是高於0.5數值孔徑(numerical aperture，NA)的新一代EUV機台可能會在2024年現身，屆時2nm以下的製程產品將可能會採用該機台生產。

英特爾在先進製程掙扎前進

作為過去的晶圓製造領導者，英特爾早在2014年就已經推出14nm製程，在密度、線寬等技術特性上和台積電、三星在2017年才推出的10nm製程互別苗頭，然而英特爾因為PC市場萎縮，行動通訊市場失利等因素影響，製程的發展停滯不前，因此讓台積電、三星反超，搶先推出7nm技術。

而英特爾在技術上足以和台積電7nm對抗的10nm製程，遲至2019年底才真正量產，且因為產能限制，只能暫時用在針對NB產品的行動處理器平台上。

為了彌補製程技術的失利，英特爾先後推出EMIB 2.5D封裝技術，以及真正的3D封裝技術Foveros，期望透過封裝技術在異構晶片功能的整合能力上扳回一城。

同時，英特爾也積極推動7nm技術，後續的5nm和3nm也箭在弦上，在密度定義方面同樣以超過台積電、三星一個世代的水準為目標。不過因為目標定的高，達成的難度也高，但對英特爾而言，這是不得不面對，也不能失敗的挑戰。