台積電與三星 3 奈米製程之戰正式進入白熱化階段

作者 | 發布日期 2021 年 02 月 01 日 10:15 | 分類 GPU , IC 設計 , Samsung Telegram share ! follow us in feedly


台積電 2020 年中宣佈,即將在美國亞利桑納州斥資 120 億美元興建 5 奈米製程晶圓廠,並預計 2023 年正式量產。消息刺激競爭對手南韓三星,三星日前也宣佈計畫斥資 100 億美元在美國德州奧斯汀興建新晶圓廠,新晶圓廠並打算以 3 奈米製程切入,力壓台積電亞利桑納州 5 奈米廠。市場人士分析,三星舉動使 3 奈米製程的戰爭日趨激烈。對三星來勢洶洶,台積電似乎胸有成竹,有機會能在 3 奈米製程的競賽中立於不敗之地。

市場人士指出,雖然在 5 奈米製程方面,三星已經趕上了台積電的腳步,於 2020 年正式量產。但在 3 奈米製程上,三星似乎還是落後給台積電的。因為相關報導指出,台積電已經為其 3 奈米製程的晶圓廠方面投資了 200 億美元。所以,為了縮短差距,三星正加緊 3 奈米製程的研發。不過,由於 3 奈米製程技術的難度極大,如果三星美國工廠計畫生產 3 奈米製程晶片的話,依照正常進度,目前還處於初步計畫階段的德州奧斯汀的晶圓工廠,在 2023 年前還難以正式量產。相較於台積電的 3 奈米製程將於 2021 年進行試產,2022 年量產,這對於力求趕超台積電的三星來說,壓力還是很大。所以,預計三星要量產 3 奈米製程,則將會仍以南韓境內的旗下晶圓廠為優先。

以晶圓廠建置方面來說,台積電董事長劉德音曾經表示,3 奈米製程技術,於南科廠的累計投資將超過新台幣 2 兆元,目標是 3 奈米製程在 2022 年量產時,單月產能 5.5 萬片起,2023 年,則是達到達到 10.5 萬片。而目前台積電在南科有 3 座晶圓廠,分別是晶圓 14 廠、晶圓 18 廠和晶圓 6 廠。其中,前兩座是 12 吋晶圓廠,後一座是 8 吋晶圓廠。晶圓 18 廠是 5 奈米製程的主要生產基地。而除了 5 奈米製程之外,台積電 3 奈米製程的晶圓廠,也建在南科內。2020 年 11 月,台積電舉行了南科晶圓 18 廠 3 奈米製程廠新建工程上梁典禮,預計 2020 年裝機,並於年底試產。

至於,在三星方面,2020 年初有外媒報導稱,三星已開始在其新建的 V1 晶圓廠中進行大規模生產,成為業界首批採用極紫外光曝光設備 (EUV) 的 6 奈米和 7 奈米製程技術生產線,而且該工廠還被認為是三星接下來 3 奈米製程生產的主要基地。而三星 V1 晶圓廠位於韓國華城、毗鄰 S3 工廠。三星於 2018 年 2 月開始建造 V1 晶圓廠,並於 2019 年下半年開始晶片的測試生產。目前,該公司還在擴大 V1 晶圓廠的產能規模,也在緊鑼密鼓地為 3 奈米製程的量產積極做準備。

除了晶圓廠的建置,設備的採購也是先進制程競爭的關鍵。而為了如期量產 3 奈米製程,台積電一直在加大投資力道,2021 年全年投資預估達到了 280 億美元,預計超過 150 億美元會用於 3 奈米製程。其中,很大一部分都要用於購買半導體設備,其中主要的採購廠商包括了 ASML、KLA、應用材料等,他們供應的曝光機、蝕刻機等都是製造 3 奈米製程的重要設備。根據統計,全球排名前 5 的半導體設備供應商在台積電採購中占比達 75%。其中,ASML 占比 1/3,是第一大設備供應商。據統計,2019 年台積電設備採購中,ASML 曝光機等設備金額約為 34 億美元,占台積電總採購額的 33%,其次是應用材料,採購額約為 17 億美元,占比 16%,TEL 的 12 億美元則是占 11%,Lam Research 為 10 億美元,占台積電採購額的 9%,KLA 則是占 4%。

而對於 3 奈米製程這樣尖端的製程技術來說,曝光機的重要性就愈加突出,而能提供 EUV 設備的目前只有 ASML 一家。因此對台積電和三星的重要性也愈加突出,雙方都在盡可能地從 ASML 多獲得一些最先進 EUV 設備。不久前 ASML 執行長 Peter Wennink 在財報會議上指出,5 奈米製程採用的 EUV 光罩層數將超過 10 層,3 奈米製程採用的 EUV 光罩層數會超過 20 層。因此,隨著制程微縮 EUV 光罩層數會明顯增加,並取代深紫外光(DUV)多重曝光製程。日前 ASML 公佈 2020 全年財報。根據數據顯示,2020 年累計運交 258 台曝光機,其中 EUV 曝光機 31 台。按照運交地區分析,台灣排名第一,占比 36%,南韓排名第二,占比 31%,中國排名第三,占比 18%。顯然的,台積電和三星訂購 ASML 大部分 EUV 曝光機。

在先進製程中,還有一項不得不提的重點,那就是封測技術的發展。近來,台積電一直在佈局先進封測廠。目前旗下有 4 座先進封測廠,分別是先進封測 1 廠、先進封測 2 廠、先進封測 3 廠和先進封測 5 廠,它們位於竹科、中科、南科、龍潭等地,苗栗竹南則是預計投資新台幣 3,000 億元,開始興建第 5 座先進封測廠。市場人士預估,目前台積電 7 奈米製程晶片的封測工作已經能夠自給自足,而 5 奈米製程的也在不斷擴充之中,未來針對 3 奈米製程的封測產線也在建設當中。

而除了產能之外,在技術方面,為了滿足 5 奈米及更先進製程的需求,台積電也已建立了整合扇出型(InFO)及 CoWoS 等封測產能來支援,並完成了 3D IC 封裝技術研發。這其中包括晶圓堆疊晶圓(WoW)及系統整合單晶片(SoIC)等技術,預計竹南廠將以 3D IC 封裝及測試產能為主,計畫 2021 年進行量產。

最後,在成敗關鍵的客戶方面,根據日前國外媒體報導,由於晶片製程技術的領先,目前已經有許多客戶正在排隊等待台積電的產能供應,目前已知的有包括輝達和高通正在洽談台積電 3 奈米製程技術的產能。而為了因應市場的需求,有消息指出,台積電共將為 3 奈米製程準備了 4 波產能,首波產能將大部分會留給多年的大客戶蘋果,之後 3 波則將被高通、賽靈思、輝達、AMD 等廠商預訂一空。因此,整體來看,除了蘋果的 A17 處理器、以及英特爾將外包的 CPU 訂單之外,包括 AMD、輝達,以及 2020 年轉向擁抱三星 5 奈米的高通等晶片大廠都已經預定了台積電 3 奈米製程在 2024 年之前的產能。

雖然之前有韓媒報導,三星的 3 奈米製程也將預定在 2022 年量產,時間點就是要與台積電一較高下。而就目前已進入 2021 年,按照台積電的計畫,今年就要進行 3 奈米制程的風險試產,並在 2022 年量產的情況下,三星預計也將勢必加快腳步。因此,這兩大晶圓代工廠的3奈米製程戰爭幾乎已進入倒計時的階段,所以在接下來的一年多時間裏,兩家頂尖廠商預計將會提出更多的消息,值得進一步期待。

(首圖來源:台積電)