三星EUV布局未若预期 未来先进制程仍将持续苦追台积电

EUV机台。数据来源：ASML

在经历过14/16nm制程节点的激烈竞争之后，诸如格罗方德(Global Foundries)以及联电(UMC)都纷纷退出更先进制程的发展，而目前晶圆代工厂中也仅有台积电和三星仍持续推进节点技术，另外，英特尔(Intel)在2019年也终于要推出与台积电7nm技术同级的10nm制程，然而要普及到英特尔所有产品线仍要等到2020年左右。

台积电从DUV跨到EUV  产能和成本将有明显改进

现有台积电7nm基于多重曝光技术，也就是使用DUV(深紫外光)机台，对晶圆进行4次的重复曝光，以求取晶体管的微小化，这是在EUV(极紫外光)机台因为技术研发瓶颈，在产能和良率难以突破之下，所以选择了成熟的DUV技术来达成。

但问题是，使用DUV加上多重曝光技术，虽然可以达到7nm的密度，但因为工序增加，成本也大幅提升，根据计算，台积电的7nm相较起10nm，在单一晶圆的制造成本上增加了至少18%，而如果以芯片成品来比较，同样晶体管规模的芯片以7nm，将会比10nm高出11.5%，过去通过制程的微缩，单一芯片的成本会明显下降，而这是在芯片制造的历史上，第一次芯片的成本会比旧制程高的状况。

为了解决高成本问题，避免被三星追上，台积电也正积极跨到EUV机台。当EUV机台成熟，作为目前营收主力的7nm制程成本就可以有效下降。机台本身的成本支出其实还是非常高昂，毕竟单一EUV机台成本就需要上亿美元，这与使用旧有DUV机台的多重曝光版7nm相较之下，所需要分摊的设备成本就比较高。

但其来自两方面的成本下降效应，仍是对客户相对有利。首先就是工序的减少，采用EUV机台制造的7nm在工序方面比DUV版本7nm减少了至少3成以上，理论上生产效率能大幅提高。

另一方面，采用EUV还可以进一步带来密度的提升，这是因为DUV加上浸润式曝光只能进行单向微缩，EUV才能进行双向，而根据台积电在股东会上给出的信息，采用EUV制程的7nm+将比DUV版增加至少17%的密度。

台积电也计划推出7nm的衍生版本6nm，6nm会分为既有7nm的升级版，以及采用EUV的升级版，既有的DUV升级版可以沿用既有7nm的芯片设计规则，有效降低成本，而EUV则是在提升密度的同时，又兼顾成本的下降。

台积电预计在今年下半年开始量产第二代7nm产品N7+，与第一代的最大差别，在于使用了EUV机台，工序可以大幅减少，不过在芯片的电气特性上改进有限，主要就是密度更高，耗电更低。属于正常程度的演进，并没有天差地远的改变。

三星EUV实现量产  但良率表现依旧落后于台积电

而三星在2018年宣称量产基于EUV的7nm制程，但目前看来也仅是小量试产，其最新的Exynos9825乃是基于9820的基础，仅是改变制程，产能也还没拉上来，在最新的Note 10手机产品中，大部份都采用高通的Snapdragon 855，仅有一小部份的市场会使用基于9825的产品。

虽然就实际而言，三星宣称实现了量产的承诺，但三星所谓量产的定义与台积电并不一致，尤其在良率标准的设定方面，三星要远低于台积电，9825的小量供应亦仅能视为验证制程的副产品，谈不上真正量产。

而近日三星也传出其为高通代工的7nm产品因良率太低而全部报废，而台积电的N7+目前也已经开始稳定量产，很快就会贡献营收，就结果论，台积电的EUV进展仍优于三星。

7nm之后的发展

三星和台积电在5nm和7nm都是采用同步发展的策略。毕竟5nm可以说是现有材料和制程技术下的极限，7nm使用的EUV机台还是可以沿用，但要进一步微缩的话，在晶体管材料和结构就必须有所变革，否则很难再继续下去。

台积电的5nm预期要在2020年量产，目前已经在进行风险试产，而三星则没有公布其5nm具体的量产时程，但如果以其7nm的时程预估，恐怕也不会早于2021年。

台积电和三星针对3nm制程的布局已经开始，技术研发和建厂工作也早就在进行，而相较于三星的高调，台积电并没有过多的揭露其技术底细，但基本上还是会以GAA(Gate All Around)为基础，而台积电也同样预估3nm的量产时程会在2022年。

三星在其论坛上进行的纸面3nm技术发布看起来相当具有说服力，但是搭配过去三星的量产时程承诺，其实又有点令人质疑。但不可否认的是，三星和台积电基本上还是属于晶圆制造的第一线技术领导者，二者的差别还是在于技术细节的掌握以及市场化的能力。

然而展望未来，3nm这个时代恐怕会是继16nm后的长寿制程，3nm之后，还需要在芯片结构与机台技术上有更进一步的发展。而根据设备大厂ASML的计划，第二代EUV机台，也就是高于0.5数值孔径(numerical aperture，NA)的新一代EUV机台可能会在2024年现身，届时2nm以下的制程产品将可能会采用该机台生产。

英特尔在先进制程挣扎前进

作为过去的晶圆制造领导者，英特尔早在2014年就已经推出14nm制程，在密度、线宽等技术特性上和台积电、三星在2017年才推出的10nm制程互别苗头，然而英特尔因为PC市场萎缩，移动通讯市场失利等因素影响，制程的发展停滞不前，因此让台积电、三星反超，抢先推出7nm技术。

而英特尔在技术上足以和台积电7nm对抗的10nm制程，迟至2019年底才真正量产，且因为产能限制，只能暂时用在针对NB产品的移动处理器平台上。

为了弥补制程技术的失利，英特尔先后推出EMIB 2.5D封装技术，以及真正的3D封装技术Foveros，期望透过封装技术在异构芯片功能的整合能力上扳回一城。

同时，英特尔也积极推动7nm技术，后续的5nm和3nm也箭在弦上，在密度定义方面同样以超过台积电、三星一个时代的水准为目标。不过因为目标定的高，达成的难度也高，但对英特尔而言，这是不得不面对，也不能失败的挑战。