拿走英特爾的皇冠、超車三星，台積電贏在一顆奈米級灰塵
全球經濟一片愁雲慘霧，多數金融機構都預期2020年，將是金融海嘯以來經濟表現最差的一年。
對台積電4萬多名員工而言，前景卻是一片燦爛，如同11月2日，台積運動會舉辦時，新竹秋高氣爽的豔陽天一般。
「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」。
台積超乎預期的業績、前景大好，已退休的創辦人張忠謀今年重回員工運動會，讓現場歡聲雷動。（邱劍英攝）
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。（延伸閱讀：他17年前的勇敢決定 造就台灣最大半導體聚落）
接下來，他派一個研究員去比利時的愛美科（Imec）半導體研發機構，參與和艾司摩爾合作的開發案，一開始狀況很不樂觀，實驗機台有大部份時間，都處於故障狀態。兩年時間，只寄回來20片晶圓。「但是繪製的線圖非常漂亮，」所以當時剛回鍋的資深研發副總蔣尚義，就批准買一台樣機研究。
要讓EUV實際上陣量產，難題無數，其中最棘手是如何產生足夠強度且穩定的光源。目前的方法，簡直像是做高能物理實驗一般。在真空環境用超高能量的雷射，射擊一滴滴僅有細菌大小的錫滴，錫滴會瞬間氣化，變成高熱的電漿，同時產出EUV光線。
整個反應過程，浪費許多能量，因此最後輸出功率極低，甚至有好幾年停留在40瓦，距離250瓦的量產目標甚遠。業界不少人因此質疑，EUV永遠無法進晶圓廠量產。
2014年9月，是一個分水嶺。嚴濤南牢牢記得那個晚上，他在新竹廠裡加班，跟艾司摩爾工程師一起嘗試，最後看到90瓦輸出功率，大為振奮。
「這是我這輩子最興奮的一個晚上，」他回憶。
他立刻將結果帶到10月在美國華盛頓舉行的業界盛會EUVL Symposium發表，引起台下聽眾一陣驚呼。為了確認穩定性，研發資深副總羅唯仁立即要求，每天用EUV生產500片晶圓，連續生產1個月。
達成之後，嚴濤南總算鬆了口氣，EUV量產應該是八九不離十了。
為什麼不是在三星，或者英特爾？
一位業界資深人士分析，三星與英特爾主要生產自家產品，尤其是英特爾處理器毛利率高達70%，可以忍受緩慢的生產速度，因此「英特爾（對EUV）的態度比較保守。」
但是為客戶產品代工的台積無法如此，因此全力協助艾司摩爾研發，要提升到每小時125片的量產速度，也就是250瓦的輸出功率。
「如果一直只有40瓦，那（台積）就沒有戲唱啊，我們就一直push、一直push，」嚴濤南說，多數艾司摩爾的EUV技術突破，都是千里迢迢地從美國或荷蘭，拿到竹科12廠的研發工廠，完成首度量產測試。（責任編輯：賴品潔）
☞全文未完，後續請見【台積電撐台灣】（下）：三星耍心機，竟讓劉德音當眾吐槽：台積才是貨真價實
台灣積體電路製造（TSMC）
創辦人／張忠謀
董事長／劉德音
總裁／魏哲家
資本額／2593億台幣
市值／8兆台幣，全球第20名，半導體業第一名
員工數／48752人（台灣4.3萬人）
廠區分布／橫跨台灣、北美、歐洲、日本、中國、韓國
關鍵技術／７奈米以下先進製程、極紫外光技術、三維鰭式場效電晶體（3D FinFET）、InFO封裝技術等
【延伸閱讀】
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