天下雜誌：台積電贏在一顆奈米級灰塵

影片: 20191120【這！不是新聞 精華篇】 贏在一顆「奈米級灰塵」！


 「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？  

文 陳良榕  鍾張涵   天下雜誌686期

發布時間：2019-11-18

「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。

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」。

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。

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）

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。」（延伸閱讀：台積電7奈米大敗三星　為何在法說會前釋利多？全因這個關鍵數字）

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EUV機台。（艾司摩爾提供）

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）

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，將成為台積未來成長主力。（王建棟攝） 

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。