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拿走英特爾的皇冠、超車三星 台積電贏在一顆奈米級灰塵

2019-11-25 07:33天下雜誌

【文 陳良榕 文 鍾張涵】

「明年,將會是大大成長的一年,」董事長劉德音在11月的台積運動會如此宣示。全球一片看衰2020年景氣,台積前景卻猶如晶圓片般七彩炫目。即使面對的挑戰從來不曾少過,對手小至奈米級的灰塵,大到營收規模7倍的大鯨魚,但台積總能過關斬將,更在今年超越迪士尼、可口可樂,名列全球前20大企業。這家貢獻台灣稅收逾350億元、貢獻GDP達4.46%的「撐台神廠」,從張忠謀退休500多天以來,如何愈贏愈多?

張忠謀退休後,歷經電腦病毒、光阻劑出包事件,讓大家一度為兩個接班人捏一把冷汗。但...
張忠謀退休後,歷經電腦病毒、光阻劑出包事件,讓大家一度為兩個接班人捏一把冷汗。但台積最近在5G需求大爆發之際,適時在最新技術領先群倫,讓外資大為看好台積後勢,股價、市值因此屢屢創新高 圖片來源:天下資料
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全球經濟一片愁雲慘霧,多數金融機構都預期2020年,將是金融海嘯以來經濟表現最差的一年。

對台積電4萬多名員工而言,前景卻是一片燦爛,如同11月2日,台積運動會舉辦時,新竹秋高氣爽的豔陽天一般。

「明年,將會是大大成長的一年,」董事長劉德音在司令台致詞時,慷慨激昂地說。這句話,第二天出現在各大報的頭條。如同呼應劉德音的喊話,外資券商也紛紛上調台積的獲利預期。

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例如,美商伯恩斯坦證券便在3天後,將台積股價從285元上調到330元,並預期2020年、2021年,這兩年每股獲利將年均成長20%,遠高於過去幾年的個位數。美國《霸榮週刊》(Barron's)更在10月18日刊出頭條新聞,「台積電奪走英特爾的皇冠」。開頭就寫,台積電開足馬力,這對英特爾而言是壞消息。

為何景氣低迷時,台積能大踩油門,在未來兩年,每年增加約40%的天文數字投資,甚至可望創造較過去高出2、3倍的成長?台積的經營層看到什麼?分析師又看到什麼?《天下》採訪多位相關人士。歸納出5個致勝關鍵。

致勝關鍵1 ➤ 率先突破技術瓶頸

第一個理由,也是最直接的,當然是劉德音在股東報告書寫的,成功量產七奈米製程,領先其他同業至少一年。並且,今年6月成功量產業界首個商用極紫外光(EUV) 微影製程,也就是第二版本的七奈米技術N7+。

此事意義深遠。因為這是史上第一次,台積在一個重要技術轉折時,領先群雄。

上一次重要的技術轉折——導入3D電晶體(台積、三星稱為FinFET,英特爾稱為Tri-gate ),台積足足落後英特爾4年,落後三星半年。這回的極紫外光(EUV)之役,卻領先英特爾兩年,英特爾要到2021年才會導入。

很多改變歷史的關鍵,往往是一些一開始不被注意的小事。而台積這次得以甩開三星、英特爾,關鍵其實是幾顆小到肉眼無法辨識的「灰塵」。

台積超乎預期的業績、前景大好,已退休的創辦人張忠謀今年重回員工運動會,讓現場歡聲...
台積超乎預期的業績、前景大好,已退休的創辦人張忠謀今年重回員工運動會,讓現場歡聲雷動。(邱劍英攝)
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EUV微影製程,是半導體產業期待已久的「救世主」技術。

目前半導體製程的主流光源是氬氟雷射,波長為193奈米,當電晶體尺度已微縮到幾十奈米時,就像用一支粗毛筆寫蠅頭小字一般,生產起來有點力不從心。這也是近幾年,摩爾定律即將告終聲浪不斷的主因。

極紫外光的波長僅有13.5奈米,這支「超細字小楷」波長已經接近X光,世界上多數物體對它而言都是不透明,連空氣都會干擾EUV,因此生產機台的內部得抽成真空。

半導體技術,也因此正式進入皮米(picometer)時代,即奈米的千分之一。EUV只能用鏡子反射,由德國蔡司產製的反射鏡,得做到史無前例的完美無瑕,能容許的瑕疵僅能是皮米大小。這相當於,如果鏡面積有整個德國大,最高的突起處不能高於1公分高。

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對抗製程的「老鼠屎」:奈米灰塵

EUV對生產環境潔淨度的要求,更是前所未有的嚴苛。

例如,包括台積自製的光罩基板(mask blank),是一片6吋大小的明亮圓鏡,造價數百萬。上頭80層多層膜反射層,跑進去幾顆奈米級的灰塵,都會對晶片良率造成巨大影響。

獨家供應EUV機台的荷蘭商艾司摩爾(ASML)研發副總經理嚴濤南表示,現在已經從一開始的100顆,慢慢減少到個位數。若從艾司摩爾的曝光機飄下灰塵,更是不能容忍。嚴濤南表示,技術規格是,每曝1萬片晶圓,只能掉1顆,「我們已經非常接近。」

台積電12吋晶圓廠廠房。(台積電提供)
台積電12吋晶圓廠廠房。(台積電提供)
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因為控制灰塵太難,EUV量產階段的最關鍵技術,是一片薄如蟬翼,厚度只有50奈米,相當於一根頭髮直徑千分之一的透明薄膜。這片「光罩護膜」(pellicle),用在晶圓生產的光罩上頭。用來隔絕細微的塵粒。否則,只要一顆塵粒掉到光罩上,可能導致整批晶片作廢。

在10月的法說,當分析師群起追問EUV的進度時。台積總裁魏哲家胸有成竹地說,「我們已經準備好了,」並強調,「台積自己生產光罩護膜。」

因為光罩護膜太難做了,處處得挑戰物理的極限。要將矽磨到僅有50奈米厚,但EUV照射時,瞬間局部溫度會升到數百度。「有點震動,啪,就裂掉了,」一位供應商說。

光罩護膜一旦破碎,瞬間飄出的細微碎屑會污染生產機台,得花7天整理,形同產線停擺1星期。台積供應商透露,三星跟英特爾都卡在光罩護膜這關,導致EUV生產效率遲緩。

那台積如何過關?

一位供應商表示,台積另闢蹊徑,在光罩盒加上特殊的防塵設計,意外發現,可以不靠光罩護膜,就達到一定的良率,便大膽量產。「這有可能,」嚴濤南表示,雖然他不知道台積最新技術突破的細節,但台積很早就投入研發「不用光罩護膜的方案」。技術瓶頸一突破,台積就開始踩油門,大舉量產EUV製程。

能否駕馭處處挑戰物理定律極限的EUV微影技術,是本回合半導體競賽的勝出關鍵。圖為...
能否駕馭處處挑戰物理定律極限的EUV微影技術,是本回合半導體競賽的勝出關鍵。圖為EUV機台。(艾司摩爾提供)
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EUV微影機每台售價超過1億美元,是人類史上最貴的「工具機」。儘管台積與艾司摩爾都不揭露台積進了多少EUV機台。根據財政部資料,台灣今年向荷蘭進口的「半導體生產設備」暴增,光是今年1到10月,就高達33.8億美元,相當於過去兩年全年進口量。

致勝關鍵2 ➤ 乘勝加碼投資,靠EUV狠甩對手

「張忠謀神話」當中,有個經典篇章。時間是在2009年。(延伸閱讀:重演「張忠謀神話」? 台積電驚人大投資的背後)

當時金融海嘯剛過,景氣還在谷底,張忠謀剛回任執行長,看好智慧型手機的未來需求,竟大筆一揮,將翌年(2010年 )的資本支出,倍增至59億美元,大蓋當時最先進的28奈米產能。在眾人驚呼中,奠定台積日後的高速成長。

10月的台積第二季法說,里昂證券分析師便問台積總裁魏哲家,台積今明兩年的大手筆擴建,會不會預期產生,與2010年那次擴建28奈米產能類似的榮景嗎?

台積電12吋晶圓廠廠房。(台積電提供)
台積電12吋晶圓廠廠房。(台積電提供)
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這題其實是做球給魏哲家。

沒想到,魏哲家竟意外地切換到「深刻反省」模式。「我知道你在說什麼,」他說,「但我認為,台積已經更加聰明……我們這次擴充產能,經過跟顧客的緊密合作與很詳細的分析,我有信心,我們不會再犯過去的錯誤。」

其實,魏哲家會「誤解」分析師的問題,背後另有原因。

「這次的擴產,其實台積內部有不同聲音,」一位外資分析師解釋。28奈米製程是台積史上最成功的製程。但後期因過度擴建、同業殺價競爭,現在反而成了台積最大的累贅。今年上半年毛利率偏低,主要就是28奈米產能利用率「非常低」的拖累。

因為擔心如此大規模的投資,會重蹈28奈米「先盛後衰」的覆轍,台積內部規劃部門一開始抱持反對意見,「而且一路呈到最上面,」一位分析師說。但最後劉德音、魏哲家還是決定「大踩油門」。另一個重要理由是,競爭者追不上,因為「EUV的技術門檻遠遠比28奈米的高介電金屬閘極(HKMG)要高,」魏哲家說。

研發眼光長遠,種下好因

但奇怪了,EUV早年可是英特爾一手扶持的技術,2012年,艾司摩爾研發進度延宕,台積還與英特爾、三星三巨頭各出102億元台幣資助。大家都出錢出力。為什麼台積對該技術特別有信心?

答案是:因為台積對這個夢幻技術量產的實質投入最多。

台積在最新的南科18廠,投資上兆,是台灣史上最大規模的產業投資項目,將成為台積未...
台積在最新的南科18廠,投資上兆,是台灣史上最大規模的產業投資項目,將成為台積未來成長主力。(王建棟攝)
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艾司摩爾的研發副總嚴濤南是活生生的見證。他曾是台積20多年的研發老將,曾任主導台積EUV研發的資深處長,兩年前才加入艾司摩爾。他早在1990年代後期,就跟當時長官林本堅赴美觀察EUV的進展。「那時台積不大,但是研發就已經看得很遠了,」嚴濤南說。

接下來,他派一個研究員去比利時的愛美科(Imec)半導體研發機構,參與和艾司摩爾合作的開發案,一開始狀況很不樂觀,實驗機台有大部份時間,都處於故障狀態。兩年時間,只寄回來20片晶圓。「但是繪製的線圖非常漂亮,」所以當時剛回鍋的資深研發副總蔣尚義,就批准買一台樣機研究。

要讓EUV實際上陣量產,難題無數,其中最棘手是如何產生足夠強度且穩定的光源。目前的方法,簡直像是做高能物理實驗一般。在真空環境用超高能量的雷射,射擊一滴滴僅有細菌大小的錫滴,錫滴會瞬間氣化,變成高熱的電漿,同時產出EUV光線。

整個反應過程,浪費許多能量,因此最後輸出功率極低,甚至有好幾年停留在40瓦,距離250瓦的量產目標甚遠。業界不少人因此質疑,EUV永遠無法進晶圓廠量產。

2014年9月,是一個分水嶺。嚴濤南牢牢記得那個晚上,他在新竹廠裡加班,跟艾司摩爾工程師一起嘗試,最後看到90瓦輸出功率,大為振奮。

「這是我這輩子最興奮的一個晚上,」他回憶。

他立刻將結果帶到10月在美國華盛頓舉行的業界盛會EUVL Symposium發表,引起台下聽眾一陣驚呼。為了確認穩定性,研發資深副總羅唯仁立即要求,每天用EUV生產500片晶圓,連續生產1個月。

達成之後,嚴濤南總算鬆了口氣,EUV量產應該是八九不離十了。

為什麼不是在三星,或者英特爾?

一位業界資深人士分析,三星與英特爾主要生產自家產品,尤其是英特爾處理器毛利率高達70%,可以忍受緩慢的生產速度,因此「英特爾(對EUV)的態度比較保守。」

但是為客戶產品代工的台積無法如此,因此全力協助艾司摩爾研發,要提升到每小時125片的量產速度,也就是250瓦的輸出功率。

「如果一直只有40瓦,那(台積)就沒有戲唱啊,我們就一直push、一直push,」嚴濤南說,多數艾司摩爾的EUV技術突破,都是千里迢迢地從美國或荷蘭,拿到竹科12廠的研發工廠,完成首度量產測試。

台灣積體電路製造(TSMC)

創辦人/張忠謀

董事長/劉德音

總裁/魏哲家

資本額/2593億台幣

市值/8兆台幣,全球第20名,半導體業第一名

員工數/48752人(台灣4.3萬人)

廠區分布/橫跨台灣、北美、歐洲、日本、中國、韓國

關鍵技術/7奈米以下先進製程、極紫外光技術、三維鰭式場效電晶體(3D FinFET)、InFO封裝技術等

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