談?wù)剾]量產(chǎn)的18吋晶圓

多少年來，半導(dǎo)體業(yè)以遵循摩爾定律的技術(shù)發(fā)展為首要原動(dòng)力。

在摩爾定律推動(dòng)下，生產(chǎn)成本不斷下降，也帶來了技術(shù)革新。為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和利潤，晶圓尺寸的擴(kuò)大和芯片線寬的減小是集成電路行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的兩條主線。

通常來講，半導(dǎo)體行業(yè)每十年升級(jí)fab架構(gòu)來增加晶圓直徑，而同時(shí)工藝制程則是保持在每兩年一個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度。隨著納米尺度逼近物理極限，工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)放緩，晶圓尺寸的增加變得越來越重要。

晶圓尺寸越大則每片晶圓上可以制造的芯片數(shù)量就越多，從而制造成本就越低。

晶圓尺寸從早期的2英寸（50mm）、4英寸（100mm），發(fā)展到6英寸（150mm）、8英寸（200mm）和12英寸（300mm），大約每10年升級(jí)一次。

1991年業(yè)界開始投產(chǎn)200mm晶圓，2001年左右起步向300mm晶圓過渡，依次類推，ITRS(國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)和摩爾定律都認(rèn)為，2010年之后逐漸開始邁向450mm（18英寸）晶圓。

彼時(shí)，英特爾、三星和臺(tái)積電等行業(yè)巨頭都表示了肯定態(tài)度，為2012年過渡到450mm而做著準(zhǔn)備，與制造設(shè)備、材料廠商開展協(xié)商以便供應(yīng)設(shè)備和材料，同時(shí)進(jìn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。他們?cè)O(shè)想向450mm過渡就像以往向300mm過渡一樣，可以增加向用戶提供的價(jià)值，生產(chǎn)率翻番。

200mm晶圓到300mm的遷移，曾經(jīng)讓單位晶體管成本突破摩爾定律，產(chǎn)生了躍變。這也很好理解，越大的晶圓就能夠切割出更多的Die，從而大大降低單晶體管的價(jià)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次提升晶圓尺寸，產(chǎn)出Die的數(shù)量至少提高一倍。

然而，一切理想中的優(yōu)勢(shì)和規(guī)劃終究未能落地。有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前一代晶圓變成主流，支持了大約 40% 的總產(chǎn)能時(shí)（從而可以維持健康的產(chǎn)能組合，成本足以支持不同的應(yīng)用），新一代晶圓就會(huì)開始。

然而，目前世界上芯片的產(chǎn)能超過70%是12英寸晶圓，第一條12英寸Fab線迄今已近二十年，我們卻尚未看到下一代18英寸晶圓廠的出現(xiàn)。

那么，18英寸的計(jì)劃究竟為什么“胎死腹中”？

18英寸晶圓往事

萌芽

早在2004年，在芯片聯(lián)盟International Sematech主辦的全球經(jīng)濟(jì)研討會(huì)上，時(shí)任美國應(yīng)用材料公司常務(wù)董事Iddo Hadar發(fā)言說：“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在向450mm晶圓方向前進(jìn)，450mm晶圓廠將在2011-2015年出現(xiàn)?！?/span>

2007年，ISMI（國際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會(huì)）強(qiáng)調(diào)，在摩爾定律的指引下，未來生產(chǎn)成本需要降低30%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期需要改善50%，而這種需求只有過渡到450mm晶圓尺寸才能做到。

在業(yè)界的一致推崇和引導(dǎo)下，2008年英特爾宣布與三星、臺(tái)積電達(dá)成合作協(xié)議，將在2012年投產(chǎn)450mm芯片晶圓，預(yù)計(jì)會(huì)首先用于切割22nm工藝處理器。

英特爾相信，從300mm晶圓到450mm的遷移將使每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量增加一倍以上。英特爾、三星和臺(tái)積電計(jì)劃與整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)合作，確保所有必需的部件、基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)能力都能在2012年完成開發(fā)和測(cè)試，并投入試驗(yàn)性生產(chǎn)。

這個(gè)藍(lán)圖被寫入到2009和2010年的ITRS(半導(dǎo)體協(xié)會(huì)技術(shù)發(fā)展路線圖)中，但是2012年的ITRS被重新修改，原定計(jì)劃目標(biāo)全部推遲2年。根據(jù)2012年ITRS規(guī)劃，450mm晶圓尺寸生產(chǎn)材料及設(shè)備制造商，應(yīng)當(dāng)在2013-2014年形成生產(chǎn)能力，并提供相應(yīng)設(shè)備給IDM和Foundry。

在2011年Semicon West會(huì)議上，過去一直對(duì)450mm規(guī)格轉(zhuǎn)換沒什么好感的半導(dǎo)體設(shè)備廠商，在各方的勸說下，也已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變了對(duì)其的態(tài)度，并做出了一些有實(shí)質(zhì)性意義的轉(zhuǎn)變動(dòng)作。比如應(yīng)用材料公司表示將在450mm項(xiàng)目上的投資將超過1億美元規(guī)模；量檢具廠商KLA Tencor便推出了其可適用于450mm晶圓的檢驗(yàn)用工具Surfscan SP3；450mm晶圓制造用光刻設(shè)備的兼容性的問題也有望得到暫時(shí)的解決，光刻廠商會(huì)推出一些臨時(shí)的解決方案以應(yīng)對(duì)光刻機(jī)與450mm規(guī)格晶圓兼容的問題。

也是在這一年，新上任的紐約州州長rew Cuomo力主搞個(gè)大政績，邀請(qǐng)芯片五強(qiáng)(IBM、英特爾、格芯、臺(tái)積電和三星)在紐約州研發(fā)下一代芯片技術(shù)，大家表態(tài)投資44億美金推進(jìn)450mm，這就是全球450聯(lián)盟(G450C)，并于美國紐約州Albany設(shè)立了450mm晶圓技術(shù)研發(fā)中心。

450mm聯(lián)盟成立后，18英寸晶圓世代的技術(shù)和機(jī)臺(tái)設(shè)備有不少方針已開始確立，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁入18英寸晶圓世代的重要里程碑。這個(gè)聯(lián)盟的關(guān)鍵基礎(chǔ)是紐約州立大學(xué)理工學(xué)院的實(shí)力和IBM微電子大本營多年在該州的耕耘，還有紐約州承諾的政府補(bǔ)貼。期間，Cuomo還拉著尼康共同出資3.5億美元搞450mm浸入式光刻機(jī)。

實(shí)際上，除了G450C聯(lián)盟之外，歐盟在更早時(shí)候搞過一個(gè)EEMI450的合作計(jì)劃，以色列也搞過一個(gè)Metro450，共計(jì)三個(gè)聯(lián)盟來推動(dòng)450mm晶圓的進(jìn)展，目標(biāo)是可互用研究結(jié)果，減少重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。

除此之外，半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟（SEMATECH）和國際半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）等也在推動(dòng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的合作研發(fā)，期望晶圓直徑的增大牽動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來的改變。

衰落

然而所有的計(jì)劃都沒有使450mm晶圓成功。自2014年開始G450C聯(lián)盟出現(xiàn)暫緩研發(fā)450mm晶圓的跡象。

英特爾其實(shí)是最積極推進(jìn)450mm的公司。但事不湊巧，G450C期間（2011-2016）剛好是英特爾搞14nm Broadwell的時(shí)間，被用到極限的DUV光刻機(jī)和復(fù)雜的FinFET使得英特爾當(dāng)時(shí)良率非常低，路線圖各種延誤，沒有心思再去關(guān)注450mm晶圓。

英特爾在2014年的撤退被認(rèn)為是450mm晶圓消亡的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。

而無心硬件的IBM把半導(dǎo)體部賣給了格芯，但格芯并沒有足夠的錢去搞450mm這么大的工程，最后白白損失了一大筆之前的投入。

針對(duì)這種情況，SEMI和ISMI（美國國際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會(huì))于2014年設(shè)立了一個(gè)EPWG設(shè)備生產(chǎn)率工作組，對(duì)過渡450mm晶圓問題進(jìn)行了研究，得出的明確結(jié)論是——“此非其時(shí)”。

在2014年英特爾退出兩年后，臺(tái)積電也悄悄退出了G450C聯(lián)盟。

多年以后，在回顧臺(tái)積電放棄450mm晶圓的原因時(shí)，前臺(tái)積電首席運(yùn)營官蔣尚義在接受采訪時(shí)說道：“當(dāng)年，英特爾是推動(dòng)轉(zhuǎn)向450mm晶圓的主要推動(dòng)者，因?yàn)樗J(rèn)為這是獲得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的另一種方式。18英寸會(huì)將業(yè)內(nèi)小玩家擠出市場(chǎng)，鞏固巨頭地位。

臺(tái)積電之所以不推廣450mm晶圓技術(shù)，原因是臺(tái)積電在300mm晶圓上已成功擊敗了許多較小的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，建立了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。但如果到450mm，就會(huì)直接與英特爾和三星展開競(jìng)爭(zhēng)。

英特爾和三星都擁有比臺(tái)積電更多的工程師，而且還有更多的收入可以利用，這將有助于兩家公司在450mm生產(chǎn)上的投資比臺(tái)積電要多。所以，進(jìn)軍450mm根本不會(huì)幫助臺(tái)積電，反而會(huì)占用臺(tái)積電太多的研發(fā)人員，削弱其在其他領(lǐng)域追求技術(shù)進(jìn)步的能力，實(shí)際上會(huì)對(duì)公司造成潛在的傷害?！?/span>

整體而言，業(yè)界對(duì)450mm晶圓進(jìn)程自開始就有不同的看法，除了上述廠商的猶豫不決和無暇分心之外，其中最為關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，包括如應(yīng)用材料、ASML等也缺乏積極性，理由是450mm設(shè)備不是簡單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對(duì)于設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因此面臨著經(jīng)費(fèi)與人力等問題，更多的擔(dān)心是未來的市場(chǎng)，能否有足夠的投資回報(bào)率。

當(dāng)時(shí)的ASML也正在EUV光刻機(jī)中掙扎，光源效率等問題一直拖后量產(chǎn)的時(shí)間表，資金壓力使ASML率先宣布退出450mm合作。雖然有尼康的光刻機(jī)支持，但是如果450mm整體良率和效率并不能顯著提升的話，成本并不會(huì)比300mm低。

所以，關(guān)于450mm晶圓的聲浪看似此起彼伏，但大多數(shù)產(chǎn)業(yè)鏈廠商實(shí)際上都是雷聲大雨點(diǎn)小。

如今，工藝制程都發(fā)展到了3nm，卻仍未見到450mm晶圓的身影，甚至都沒有看到行業(yè)廠商在450mm晶圓上的規(guī)劃。

歸結(jié)其原因，無外乎成本、良率、產(chǎn)業(yè)鏈配套等方面存在不足。

18英寸晶圓的主要挑戰(zhàn)是什么？

成本巨大

商人往往是無利不起早的，既然450mm能夠降低Die的成本，那大家為什么不積極布局呢？

18英寸晶圓已經(jīng)被證明是一個(gè)“海市蜃樓”，在業(yè)界放棄這個(gè)想法之前，已經(jīng)做了大量的開發(fā)工作，成本問題成為企業(yè)紛紛退出的關(guān)鍵因素。

晶圓代紀(jì)遷移的成本是巨大的。據(jù)推算，從150mm到200mm花了大約6 年，花費(fèi)將近15億美金；而從200mm到300mm則花了近10年時(shí)間，投入了116 億美金，成本幾乎上漲了近8倍。而要進(jìn)化到450mm，將耗費(fèi)設(shè)備商們超過1000億美元的巨額研發(fā)成本。

同時(shí)，設(shè)備成本和時(shí)間成本減緩了晶圓尺寸邁向18英寸的腳步。雖然450mm晶圓的面積是300mm的2倍多，但生產(chǎn)時(shí)間上要遠(yuǎn)大于2倍時(shí)長。

SEMI曾預(yù)測(cè)每個(gè)450mm晶圓廠將耗資100億美元,但單位面積芯片成本只下降8%。高額的資金壓力，以及并不顯著的良率和效率的提升，使得行業(yè)減緩了向450mm邁進(jìn)的步伐。

然而資金問題并不是450mm項(xiàng)目面臨的唯一難題。450mm規(guī)格轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)，與節(jié)點(diǎn)制程與EUV光刻技術(shù)升級(jí)的時(shí)間點(diǎn)相互撞車則是另外一個(gè)不確定負(fù)面因素。

良率挑戰(zhàn)

且不說是否有合適的經(jīng)濟(jì)模型來模擬450mm的各種設(shè)備成本增加，以及各種生產(chǎn)效率和使用率，每一步的良率都是極其不可預(yù)測(cè)的變量。

從原理來看，晶圓是由硅錠加工而成的，通過專門的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數(shù)以百萬計(jì)的晶體管，被廣泛應(yīng)用于集成電路的制造。

假設(shè)晶圓本身工藝沒問題且同種芯片的良率穩(wěn)定，那么晶圓直徑越大，晶圓利用率就越高，可產(chǎn)出的芯片數(shù)就越多，每個(gè)芯片的成本也就越低。這也是晶圓廠向更大直徑晶圓制造技術(shù)發(fā)展的原因。

但實(shí)際中，晶圓尺寸越大，對(duì)微電子工藝、設(shè)備、材料的要求也就越高。因?yàn)榧s75%的硅晶片采用直拉法進(jìn)行生產(chǎn)，在結(jié)晶過程中，直徑越大，可能由于旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)缺陷的可能性越大。

同時(shí)，晶圓直徑越大就意味著重量越大，邊緣處就更容易出現(xiàn)翹曲的情況。因此，晶圓越大，良品率越低，晶圓單位面積成本越高。

因此，通過增大晶圓尺寸降低的成本不能彌補(bǔ)大直徑導(dǎo)致晶圓不良率增加成本的時(shí)候，選用更大尺寸的晶圓進(jìn)行生產(chǎn)就變得不經(jīng)濟(jì)。

產(chǎn)業(yè)鏈配合力度

從行業(yè)規(guī)律來看，向更大晶圓尺寸進(jìn)軍，給較小的市場(chǎng)玩家設(shè)置了進(jìn)入壁壘。從芯片制造廠商方面看，大約有130 家公司擁有150mm晶圓廠，而擁有200mm晶圓廠的公司不到90家，擁有300mm晶圓廠的公司只有24家。

因?yàn)?50mm晶圓涉及到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的巨大變化，總投入是千億美元量級(jí)的，半導(dǎo)體業(yè)界再也沒有一家企業(yè)能夠獨(dú)家制訂標(biāo)準(zhǔn)和承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。知乎博主“老狼”曾表示，如果投入一個(gè)450mm的FAB, 成本將超過100億美金，只有少數(shù)公司能承擔(dān)得起一座450mm工廠，這將帶來更大的兩極分化現(xiàn)象。

總的來看，遷移到新的晶圓尺寸平臺(tái)需要半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的上下游合作，會(huì)牽涉到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的資源調(diào)配，研發(fā)以及一體化行動(dòng)，幾乎所有工具都需要重新研發(fā)、投產(chǎn)和試運(yùn)行。

類似地，設(shè)備市場(chǎng)也越來越集中，前10家供應(yīng)商所占據(jù)的市場(chǎng)份額已經(jīng)從90年代的60%增長到了2000年代的75%以上。為了維持芯片成本下降和行業(yè)持續(xù)增長，晶圓尺寸增大與利益相關(guān)者之間的垂直合作至關(guān)重要。

目前在18英寸晶圓產(chǎn)線發(fā)展上除了資金和技術(shù)的雙重壓力，導(dǎo)致晶圓廠向18英寸晶圓產(chǎn)線轉(zhuǎn)進(jìn)速度急劇放緩的原因還在于設(shè)備廠商的意愿。

18英寸的工作與過去的晶圓尺寸轉(zhuǎn)換不同，在150mm時(shí)，英特爾是領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型并支付大量工作費(fèi)用的公司，而在200mm時(shí)則是IBM。在300mm時(shí)，設(shè)備公司承擔(dān)了很多成本，他們需要很長時(shí)間才能收回投資。

而450mm的成本再次被推到設(shè)備公司身上，他們非常不愿意接受這種情況。2014年，英特爾因利用率低，42號(hào)晶圓廠閑置，因此將資源從18英寸撤下，臺(tái)積電也在18英寸上退讓，設(shè)備公司暫停開發(fā)工作，18英寸晶圓就此“死亡”。

在前車之鑒的陰影下，重振18英寸之路并非易事。

最初ASML的研發(fā)計(jì)劃包括450mm晶圓光刻系統(tǒng)和EUV光刻機(jī)系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)450mm晶圓的道路上行不通后，ASML于2013年11月決定暫停450mm光刻系統(tǒng)的開發(fā)，直到看到客戶及市場(chǎng)在這一領(lǐng)域有明確的需求。

當(dāng)前，ASML試圖生產(chǎn)足夠的EUV系統(tǒng)并將High NA設(shè)備投入生產(chǎn)。12英寸的High NA EUV系統(tǒng)已經(jīng)非常龐大——難以運(yùn)輸，制造更大的18英寸版本將是前所未有的工程挑戰(zhàn)。

此外，為了維持更大晶圓的均勻性、生產(chǎn)性和良品率，18英寸產(chǎn)線對(duì)晶圓傳送工具、單片加工設(shè)備、精密切割設(shè)備及CMP等設(shè)備提出了更高的精準(zhǔn)度要求，要產(chǎn)生更大的成本。加工更大晶圓和更小的容差的設(shè)備變得更加昂貴。

隨著晶圓尺寸的增大，對(duì)于系統(tǒng)的集成、系統(tǒng)的自動(dòng)化、材料的特殊要求及整體功耗等都對(duì)設(shè)備制造商提出更高的要求。

可以預(yù)見，芯片制造商和設(shè)備制造商需要共同努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，這樣才能應(yīng)對(duì)先進(jìn)的小型化和晶圓尺寸增長所帶來的更大難題。只有使得芯片制造商與設(shè)備制造商同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙贏，才能持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設(shè)備制造商需要投資較之前比例更多的研發(fā)費(fèi)用，才能實(shí)現(xiàn)450mm晶圓苛刻的工藝及技術(shù)要求。

寫在最后

對(duì)整個(gè)行業(yè)而言，450mm晶圓尺寸遷移是一個(gè)戰(zhàn)略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會(huì)受到供應(yīng)鏈上多種行業(yè)的動(dòng)態(tài)和交互影響。

18英寸晶圓引進(jìn)時(shí)程趨緩，主要因初期需要大規(guī)模投資，由于晶圓尺寸改變，相關(guān)設(shè)備必須配合變動(dòng)，不僅需要建設(shè)新工廠，設(shè)備也需要更換，對(duì)晶圓制造廠和設(shè)備廠來說負(fù)擔(dān)不小。一旦計(jì)劃失敗恐導(dǎo)致較大影響，使得各家設(shè)備大廠頻踩煞車。

目前半導(dǎo)體行業(yè)大多轉(zhuǎn)向活用現(xiàn)有設(shè)備，朝微細(xì)化先進(jìn)制程方向進(jìn)行發(fā)展和演進(jìn)。曾經(jīng)的希望現(xiàn)在越來越渺茫，目前450mm晶圓離我們不但沒有變近，反倒更加模糊不清。

鑒于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的種種形勢(shì)，轉(zhuǎn)向450mm晶圓的步伐很有可能會(huì)繼續(xù)延緩。一位來自某半導(dǎo)體廠商的高管稱，半導(dǎo)體業(yè)界絕不會(huì)減緩升級(jí)節(jié)點(diǎn)制程的速度，因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為，從節(jié)點(diǎn)制程的縮減中所獲取的利益，要比采用更大尺寸晶圓所獲得的成本利益更為重要。

但事物總是要發(fā)展的，如今先進(jìn)制程到了3nm甚至2nm以后，摩爾定律逐漸失速，不知業(yè)界是否會(huì)將目光重新聚焦到450mm晶圓上來。

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