本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：暢秋
臺積電要在5nm及更先進製程保持領先，EUV光刻機是重要一環，近年來，該公司不斷購入EUV設備，以維持先進製程產能優勢。臺積電於日前召開技術論壇，指出其EUV設備累計裝機數量到2020年已佔全球總數的50％，到2020年爲止，採用臺積電EUV技術生產的晶圓，佔全球EUV光刻晶圓數的65％。而隨着製程推進至5nm，每片晶圓採用EUV掩模層大幅拉昇，臺積電預估2021年EUV掩模產能將是2019年的20倍。
今年下半年，臺積電5nm產能進一步提升，包括蘋果A15應用處理器及M1X／M2計算機處理器、聯發科及高通新款5G手機芯片、AMD Zen 4架構計算機及服務器處理器等將陸續導入量產。臺積電爲了維持技術領先，由5nm優化後的4nm將在明年進入量產，全新3nm也將在明年下半年導入量產。
下面具體看一下這些需要用到EUV設備的先進製程情況。
臺積電5nm於2020年量產，2023年，包括4nm的5nm系列製程產能將會比2020年大幅增長4倍。此外，臺積電還推出了5nm家族的最新成員－N5A製程，目標在於滿足汽車應用對於運算能力日益增加的需求。
位於臺南的晶圓18廠第1、2、3、4期是5nm生產基地，其中，第1、2、3期已經開始量產，4期興建中。
5nm家族中的4nm加強版由於減少了掩模層數，以及與5nm幾近兼容的設計法則，進一步提升了效能、功耗效率、以及晶體管密度。4nm工藝將把芯片尺寸收縮 6%，同時帶來功耗和性能上的進一步改善。
3nm方面，將增加EUV的使用量，效能將比5nm提升10-15%，功耗減少25-30%，邏輯密度增加1.7倍，SRAM密度提升1.2倍、模擬密度則提升1.1倍。
2nm方面，臺積電將在新竹市新建一座 Fab 20 工廠，用於2nm系列製程工藝的生產。儘管當前仍在忙着徵地，但該公司已經爲 Fab 20 工廠的初期生產規劃了四個階段。
隨着以上最先進製程晶圓廠在未來1～3年內逐步完成建設並投入量產，以及美國亞利桑那州12吋廠第一期在2024年後進入量產，採用臺積電EUV技術的晶圓數將快速增長，其在EUV設備上的投資將越來越大。
01
對手虎視眈眈
目前，作爲臺積電在先進製程領域的唯一對手，三星一直在努力追趕中，這給臺積電帶來了不少壓力，無論是技術層面，還是在成本層面，都需要不斷優化，才能保持對三星的優勢。
三星預計2021年將在半導體設施上投資35萬億韓元，創歷史新高，比2020年的28.9萬億韓元增長20％。股票分析師預計，該公司將在存儲芯片上花費24萬億韓元，在系統半導體上花費11萬億韓元。
三星不僅將在韓國投資，還將在美國和中國投資。在韓國，其在平澤的工廠將轉變爲存儲器和系統半導體的生產基地。晶圓代工生產線於今年年初投入使用，預計將於下半年開始運營。此外，預計該公司將在2021年完成3號工廠的建設，該工廠將生產內存和晶圓代工產品。
另外，三星還計劃在美國投資170億美元建設新晶圓廠，用於生產5nm及以下先進製程芯片。這主要針對的就是臺積電在美國的5nm新廠。
三星擴建最先進製程晶圓廠，同樣需要大量的EUV設備。爲此，不久前，韓國總統文在寅和荷蘭首相馬克·呂特舉行了虛擬峯會，期間，關於與ASML的深入合作是一項重要議題。雙方的聲明中寫道：“兩國同意加強在半導體供應鏈方面的合作，相互承認對方是半導體領域的核心合作夥伴。”
對於尋求在全球半導體競賽中保持領先地位的韓國芯片製造商，特別是三星來說，ASML的EUV設備至關重要。三星電子副董事長李在鎔去年 10 月訪問了ASML，顯然是爲了獲得 ASML的EUV光刻機。
5月，ASML與韓國中央和地方政府簽署了一份諒解備忘錄，將投資 2400 億韓元（2.111 億美元），到 2025 年在京畿道華城建立 EUV 產業集羣。
據日本專家分析，2020年，當5nm大規模生產及3nm試產啓動時，臺積電需要35臺新EUV光刻機。到2021年，5nm生產規模擴大，3nm風險生產將啓動，所需的新EUV光刻機數量達54臺；到2022年，當3nm大規模生產、2nm試產啓動，需要的新EUV光刻機數量爲57臺。
三星方面，李在鎔在2020年訪問ASML期間要求的“2020年9臺EUV光刻機”中，至少有4臺將2020年抵達三星，其餘5臺在2021年初引入。尚不清楚2021年後是否會落實每年20臺EUV設備，但實際數字相差不會很大。
根據假設得出的結論，臺積電在2021-2015年間總共需要292臺EUV光刻機，每年平均需新增58臺。三星每年需要20臺，一共需要近80臺。這將是一筆龐大開支。
02
臺積電壓力山大
對於臺積電來說，雖然其先進製程，特別是5nm目前無敵於天下，但客戶對於使用4nm或全新3nm態度還不夠明朗，主要原因是成本太高，而其決定因素是EUV掩模層數不斷增加，再加上EUV設備本身就是高成本，兩個因素疊加，直接提升了晶圓代工價格。
由於先進製程投資金額愈來愈高，能夠支付如此龐大晶圓代工費用的半導體廠已經沒有幾家，雖然臺積電現在有蘋果、NVIDIA、AMD、高通、聯發科、英特爾、博通、Marvell、賽靈思（Xilinx）等大客戶採用先進製程，但隨着三星晶圓代工積極擴產，英特爾加碼先進製程產能投資，臺積電面臨的競爭壓力越來越大。
爲了在明年之後加速客戶5nm產品線轉換至3nm，據悉，臺積電將啓動EUV持續改善計劃（Continuous Improvement Plan，CIP），希望在略爲增加芯片尺寸的同時，減少先進製程EUV掩模使用層數，以降低3nm成本。
EUV光刻機價格越來越高，ASML在下半年即將推出的最新機型NXE：3600D，其價格高達1.4～1.5億美元，產出吞吐量每小時可達160片12吋晶圓，與上代機型相比，產能增加幅度不大。而由製程來看，4nm由5nm優化而來，EUV掩模層大約在14層以內，但3nm預計將採用25層EUV掩模，因此，3nm晶圓代工價格恐怕會達到3萬美元，並不是所有客戶都願意買單。
爲了加快客戶產品線由5nm向3nm的推進速度，臺積電啓動EUV CIP計劃改善製程，希望透過減少EUV掩模層使用道數及相關材料，例如將3nm的25層EUV掩模層減少至20層，雖然芯片尺寸將因此略爲增加，但若計劃成功可以有效降低生產成本及晶圓價格。若能有效減少3nm晶圓EUV掩模層數，在達成同樣產出量情況下將有助於減少EUV設備採購量，若每年少採購1～2臺EUV設備，資本支出也可降低3億美元。
臺積電的成本壓力，從最近發佈的第二季度財報也可見一斑。其單季稅後純益 1343.6 億元新臺幣，季減 3.8%，年增 11.2%，每股純益 5.18 元，低於市場預期。第二季營收 132.9 億美元，季增 2.9%，年增 28%，毛利率 50%，季減 2.4 個百分點，年減 3 個百分點，營益率 39.1%，季減 2.4 個百分點，年減 3.1 個百分點；稅後純益 1343.6 億元，季減 3.8%，年增 11.2%。
另外，上半年營收 262.08 億美元，新臺幣營收 7345.55 億元，年增 18.2%，毛利率 51.2%，年減 1.2 個百分點，營益率 40.3%，年減 1.5 個百分點。
總體來看，營收增長，但利潤下降了，這其中很重要的原因就是在先進製程上的投資巨大，難以被營收抵消。
以製程來分，臺積電第二季 5 nm製程出貨佔晶圓銷售金額的18%，7 nm爲 31%，16 nm爲 14%，28 nm爲 11%。可見，5nm佔比很大，僅次於7nm，這同時說明其需要在這方面投入巨資，才能實現這樣的量產水平，但相應的回報與投入並不呈線性關係。
基於以上這些因素，臺積電要想繼續發展最先進製程，同時保持競爭力，不至於內對手縮小差距，就必須在成本控制方面多下功夫了。
03
多渠道降本增效
除了減少EUV光刻機採購數量及掩模層數外，還可以有多種方法降低最先進製程的成本，同時保證良好的性能。
例如，可以通過設計和技術協同優化（DTCO）減少器件佔用空間。邏輯器件是許多邏輯單元的組合，這些邏輯單元執行基本邏輯功能。每個單元都具有多個晶體管柵極，這些晶體管柵極由金屬線連接。垂直排列的門之間的距離稱爲接觸門間距（CGP）。水平連接柵極的金屬線之間的距離稱爲金屬間距。通過乘以兩個間距，可以估計單元單元的一個區域。
傳統上，業內使用光刻圖案來精細化柵極和導線，通過更緊湊的方式縮放，這稱爲內在縮放。但是，隨着製程節點的推進，進一步縮短柵極和導線距離的物理空間正在迅速消失。此外，如果電氣器件和結構太密集，信號可能會幹擾，從而降低器件的性能和功率特性。
設計與技術的協同優化（DTCO）可實現與以往不同的縮放技術，這被視爲未來節點的總體縮放優勢，因此備受關注。其旨在將新材料和材料工程技術與邏輯設計師的出色理念相結合，在不改變光刻或間距的情況下降低每個區域的成本。
DTCO 是一種從設計和技術兩方面進行優化的方法。利用DTCO，可將更多的功能塞進邏輯單元的有限區域。
爲了在提高 PPAC（功耗、性能和每面積成本）的同時實現可靠性和產量，必須保持邊緣的線性度和平滑度。事實上，任何圖案形狀在邊緣上通常都會發生粗糙度和不均勻性，但傳統上，由於邊緣在圖案線寬中所佔的比例非常小，因此這種擾動基本上可以忽略不理。但是，隨着 EUV 縮放的推進，邊緣佔據線寬 30% 的情況並不少見。邊緣粗糙度是一個嚴重的問題。光刻分辨率和線邊緣粗糙度問題愈加突出。
目前，創新的集成材料解決方案正在出現，這些解決方案在納米級響應這些挑戰，併成功地實現 EUV 雙圖案化。
總之，使用DTCO 可以繼續推進先進製程，同時提高PPAC。
04
結語
當製程發展到3nm，臺積電這樣的龍頭企業也對成本愈加敏感，需要採取有效方法把成本降下來，除了以上提到的幾點方法之外，產業鏈上下遊廠商也在探索更多、更好的方法，以求將摩爾定律繼續推進下去。
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