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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

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三星的Exynos 9825是該公司首款成功量產的EUV 7nm產品。資料來源:三星LSI

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。

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