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群雄争食5nm盛宴


群雄争食5nm盛宴

目前的5nm制造玩家,只有台积电和三星这两家了。而三星要到明年才能实现量产,就今年来看,台积电将统治全球的5nm产业链。

在过去的一年里,台积电的5nm研发节奏很快,该公司在2019年三月进入了风险试产阶段,据说试产良率可以达到40%,而在今年的第二季度,就可以实现大规模的量产。面对这一商机,全球5nm产业链上的相关厂商都绷紧了神经,要么争取分一杯羹,要么争取产能。

因此,关注的焦点都聚集到了台积电身上。据悉,该公司将今年资本支出提升到了150亿~160亿美元,除了用于扩充7nm产能外,更重要的就是完成5nm量产及产能建置。按照计划,台积电将在第二季度进入5nm量产阶段,第三季度以最快速度提升产能,下半年5nm产能提升速度及幅度有望创下该公司产能新纪录。

到了5nm阶段,台积电的投资额进一步攀升,16nm制程下,1万片产能投资约15亿美元,7nm制程下,1万片产能投资估计30亿美元,而5nm制程1万片产能投资估计达到了50亿美元。

与7nm相比,高精尖的5nm对所涉及的供应链要求更高,无论是上游的半导体制造设备商,还是与台积电制造相关的原材料、零部件及服务商,或是芯片封测厂,以及相关的人才需求,都提出了更高的要求,同时也蕴藏着可观的商机。各路诸侯摩拳擦掌,都在围绕台积电展示着各自的实力。

设备


为了尽快实现5nm量产并提升产能和良率,在过去的一年里,台积电一直在加快购买半导体制造设备,涉及的厂商主要有ASML、KLA、应用材料、中微半导体等,他们供应的光刻机、蚀刻机等都是制造芯片的重要设备。

2019年1-11月,台积电的半导体制造设备采购金额达105亿美元,同比增长了46%。今年,台积电的设备采购量将集中在6-9月,这四个月内采购额将占全年的2/3,主要就是用于扩充5nm制程的产能。

据悉,全球排名前五的半导体设备供应商在台积电采购中占比达75%,其中,ASML占比1/3,是第一大设备供应商。据统计,去年台积电设备采购中,ASML光刻机等设备金额约为34亿美元,占台积电总采购额的33%,其次是应用材料,采购额约为17亿美元,占比16%,TEL约12亿美元,占11%,Lam Research为10亿美元,占台积电采购额的9%,迪恩士占5%,KLA占4%。

ASML

目前,全球仅有ASML一家公司掌握着EUV光刻机的核心技术,这也是5nm制程必需的设备,但EUV光刻机的成本十分高昂,每台售价高达1.2亿美元,几乎是DUV光刻机价格的2倍。

根据ASML公司发布的财报,2019全年共出货了26台EUV光刻机,预计2020年将交付35台EUV光刻机,2021年则会达到45-50台的交付量。这其中很大一部分都供给了台积电,用于扩充5nm,以及7nm产能。

中微半导体

除光刻机之外,蚀刻机也是5nm制程工艺不可缺少的,目前,全球高端刻蚀机玩家仅剩下应用材料、Lam Research、东京电子和中微半导体,而通过台积电5nm工艺认证的则更少。

在这个领域,中国大陆的中微半导体取得了可喜的进步,其5nm蚀刻机已经打入台积电供应链。

中微半导体主要生产蚀刻机、MOCVD等设备,它们与光刻机被称为半导体制造三大关键设备,而中微的5nm等离子蚀刻机已经具备了国际竞争力。等离子刻蚀机是芯片制造中的关键设备,用来在芯片上进行微观雕刻,每个线条和深孔的加工精度都是头发丝直径的几千分之一到上万分之一,精度控制要求非常高。

先进的蚀刻机售价也要数百万美元,而且一条生产线要使用多台蚀刻机,对于卖方来说,总价值很可观。

制造


目前,有5nm芯片制造能力的只有台积电一家,该公司也是产业链的核心。

根据台积电的规划,南科14厂和18厂分别专注于12nm和16nm制程技术,以及5nm和 3nm技术,而中科15厂则负责28nm和7nm制程技术。

台积电的5nm晶圆厂从2018年开始启动,有5000多名工作人员日夜赶工,厂房建置完成后,于2019年初进入设备安装阶段,并在去年第二季度进行了风险试产。据悉,5nm制程设备的搬入速度,几乎是以“平均每1.5个小时搬入一台”的进度入厂,台积电在全力推动5 nm晶圆厂进入生产状态。

台积电的5nm制程分为N5及N5P两个版本。N5相较于当前的7nm制程N7版本在性能方面提升了15%、功耗降低了30%,晶体管密度提升了80%。N5P版本性能较N5提升7%,功耗降低了15%。

在掩模方面,5nm需要14-15层,而7nm+EUV只需要4 层。

据业内人士透露,目前台积电5nm的试产良率已经达到80%,且月产能也从最初的5万片晶圆增至8万片。

制造所需原材料及服务


对于晶圆代工厂来说,要进行5nm制程的芯片制造,除了工艺技术和设备之外,相应的半导体材料、配件,以及各种服务工作也是不可或缺的,需要产业链上的合作伙伴共同参与完成。

5nm及更先进制程的发展,并不能单纯依靠核心工艺的创新与EUV设备的加持。从材料角度来说,光刻胶等半导体材料的创新也是制程演进的关键所在。

去年,日韩之间的半导体材料大战爆发,韩国用于制造半导体和零部件设备的光刻胶、高纯度氟化氢和含氟聚酰亚胺三大半导体材料,均遭到日本的出口限制,对韩国部分重要的产业发展造成了不小的影响。

光刻胶则是这三类半导体材料中的重中之重。

在芯片制造过程中,曝光、显影和刻蚀等重要工艺步骤都与光刻胶有关,耗时占总工艺时长的40%至60%,成本也占整个芯片制造成本的35%。

有机光刻胶主要用于90nm到7nm的芯片制造,但随着制程推进到5nm,将开始需要无机光刻胶。

目前来看,中高端光刻胶产品主要还是掌控在日本厂商手中,台积电与日本合作伙伴保持着紧密的联系。

对于中国大陆的半导体材料厂商来说,机会也越来越多,如安集微电子、江丰电子等都是台积电的供应商。2016-2018年,安集微电子来自台积电的收入占比依次是10.7%、9.7%、8.1%,但安集微主要为台积电成熟制程提供抛光液等产品。江丰电子的重要客户中也包括台积电,其钽靶材及环件已在应用于台积电7nm芯片中。但要想打入其5nm制程供应链,大陆半导体材料厂商还需要再努力。

掩模方面,家登是台积电掩模传送盒的独家供货商,随着台积电在7nm导入EUV,加上5nm量产,EUV掩模传送盒出货可望倍增,且导入EUV后,掩模可曝光次数为原先四分之一,带动掩模传送盒需求进一步提升。

除了家登之外,台积电相关设备与周边材料供货商,还包括承包无尘室工程厂汉唐、帆宣,以及晶圆可靠性等分析的闳康、应材备品代工厂京鼎、后段湿式制程设备弘塑、辛耘,和相关自动化及接口设备的迅得、信纮科等。

在设备维护中,可运用AI进行预测性维护。与此同时,台积电也利用深度学习方法进行自动化影像识别,对缺陷进行及时准确查询,这方面,迅获得了7nm及5nm生产线自动化系统订单。

对于测试来说,任何晶圆有错误就会直接报废,同时也会按照小批量处理原则给客户提供风险评估报告。而针对可靠性测试,如果有任何die fail,旁边4个临近die也会fail,边缘的die良率低的话也会fail。台积电改善了抽测方式,以确保不会发生故障。

此外,精测是主要晶圆测试板及探针卡供货商,宜特提供5nm相关材料及可靠性分析服务。

封测


台积电对其先进制程芯片的封测业务早有布局,7nm就已经能够自给自足了,在此基础上,自家封测厂在很大程度上也能够保证5nm的需求,且在不断扩充之中。

台积电在竹科、中科、南科、龙潭等地都设有先进封测厂,苗栗竹南封测基地将是第五座先进封测厂。该厂预计投资3000亿元新台币,位于竹南科学园区周边特定区、大埔范围。

为了满足5nm及更先进制程的需求,台积电已建立了整合扇出型(InFO)及CoWoS等封测产能支持,完成了3D IC封装技术研发,包括晶圆堆叠晶圆(WoW)及系统整合单芯片(SoIC)等技术,业界预期竹南厂未来将以3D IC封装及测试产能为主。预计明年量产。

人才


半导体制造主要依靠资金和人才,而这两项台积电都具有优势,且在不断扩充。

去年,全球首座5nm晶圆厂进入量产测试阶段的同时,负责这座5nm的Fab 18内部人事方案也随之确定,由近两年刚升任晶圆厂营运副总的王英郎统筹18厂的人事安排,他在台积电内部有最年轻的副总之称。

其中,厂长由曾任台积电中科15厂的厂长刘晓强担任,而两位副厂长则由之前曾任职南科 14厂的杨怀德和林俞谷出任。

今年2月,台积电在网上公布了1500多个招聘职位,涵盖半导体工程师、设备工程师、光学工程师及制程技术员等,主要就是为了全力冲刺5nm,以及明年更先进制程。

对于此次的千人招聘计划,台积电给普通工程师开出的薪资为每月3.2万元新台币,至于半导体工程师、设备工程师、光学工程师等,根据技术程度,开出的薪资从3.8万至4.5万元不等。

客户


制程工艺越来越先进,台积电的5nm制程成本也水涨船高,开发一款芯片的费用将达到5.4亿美元,台积电5nm全掩模流片费用大概要3亿人民币,而且还不包含IP授权费用。如此高的门槛,大部分公司都会选择观望。目前,也只有华为海思、苹果这样的大客户烧得起钱,据悉,它们的麒麟1020、A14芯片会是5nm芯片的两大客户。苹果可能将独揽台积电三分之二产能,今年6月底开始量产。

然而,即使费用昂贵,台积电5nm的产能似乎还是很紧张,据悉,来自苹果和海思的5nm订单正在迫使台积电加大对于5nm晶圆工厂的投入,而2020年5nm订单预计将贡献台积电约8%的营收。

除了苹果和华为海思,高通一部分5G X60芯片也会由台积电5nm代工生产。

另外,博通、联发科、AMD等大客户后续也将开始展开5nm芯片设计并导入量产,但今年恐怕拿不到产能了,得等到明年。

结语


从以上叙述可以看出,还未量产,台积电的5nm产能很可能已经被抢光了。

今年的5nm代工产能如此紧张,对于台积电及其产业链上下游的合作伙伴来说,又将会是一个丰收年。

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