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          談談沒量產的18吋晶圓

          2022年08月15日 14:16:38   來源:微信公眾號:半導體行業觀察

            多少年來,半導體業以遵循摩爾定律的技術發展為首要原動力。

            在摩爾定律推動下,生產成本不斷下降,也帶來了技術革新。為了提高產品的生產效率和利潤,晶圓尺寸的擴大和芯片線寬的減小是集成電路行業技術進步的兩條主線。

            通常來講,半導體行業每十年升級 fab 架構來增加晶圓直徑,而同時工藝制程則是保持在每兩年一個節點的速度。隨著納米尺度逼近物理極限,工藝節點的技術進步已經放緩,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),發展到 6 英寸(150mm)、8 英寸(200mm)和 12 英寸(300mm),大約每 10 年升級一次。

            1991 年業界開始投產 200mm 晶圓,2001 年左右起步向 300mm 晶圓過渡,依次類推,ITRS ( 國際半導體技術發展路線圖 ) 和摩爾定律都認為,2010 年之后逐漸開始邁向 450mm(18 英寸)晶圓。

            彼時,英特爾、三星和臺積電等行業巨頭都表示了肯定態度,為 2012 年過渡到 450mm 而做著準備,與制造設備、材料廠商開展協商以便供應設備和材料,同時進行有關標準化方面的工作。他們設想向 450mm 過渡就像以往向 300mm 過渡一樣,可以增加向用戶提供的價值,生產率翻番。

            200mm 晶圓到 300mm 的遷移,曾經讓單位晶體管成本突破摩爾定律,產生了躍變。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格。據統計,每次提升晶圓尺寸,產出 Die 的數量至少提高一倍。

            然而,一切理想中的優勢和規劃終究未能落地。有數據表明,當前一代晶圓變成主流,支持了大約 40%   的總產能時(從而可以維持健康的產能組合,成本足以支持不同的應用),新一代晶圓就會開始。

            然而,目前世界上芯片的產能超過 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。

            那么,18 英寸的計劃究竟為什么 " 胎死腹中 "?

            18 英寸晶圓往事

            萌芽

            早在 2004 年,在芯片聯盟 International Sematech 主辦的全球經濟研討會上,時任美國應用材料公司常務董事 Iddo Hadar 發言說:" 半導體產業在向 450mm 晶圓方向前進,450mm 晶圓廠將在 2011-2015 年出現。"

            2007 年,ISMI(國際半導體技術制造協會)強調,在摩爾定律的指引下,未來生產成本需要降低 30%,產品生產周期需要改善 50%,而這種需求只有過渡到 450mm 晶圓尺寸才能做到。

            在業界的一致推崇和引導下,2008 年英特爾宣布與三星、臺積電達成合作協議,將在 2012 年投產 450mm 芯片晶圓,預計會首先用于切割 22nm 工藝處理器。

            英特爾相信,從 300mm 晶圓到 450mm 的遷移將使每個晶圓的芯片數量增加一倍以上。英特爾、三星和臺積電計劃與整個半導體產業合作,確保所有必需的部件、基礎設施、生產能力都能在 2012 年完成開發和測試,并投入試驗性生產。

            這個藍圖被寫入到 2009 和 2010 年的 ITRS ( 半導體協會技術發展路線圖 ) 中,但是 2012 年的 ITRS 被重新修改,原定計劃目標全部推遲 2 年。根據 2012 年 ITRS 規劃,450mm 晶圓尺寸生產材料及設備制造商,應當在 2013-2014 年形成生產能力,并提供相應設備給 IDM 和 Foundry。

            在 2011 年 Semicon West 會議上,過去一直對 450mm 規格轉換沒什么好感的半導體設備廠商,在各方的勸說下,也已經慢慢轉變了對其的態度,并做出了一些有實質性意義的轉變動作。比如應用材料公司表示將在 450mm 項目上的投資將超過 1 億美元規模;量檢具廠商 KLA Tencor 便推出了其可適用于 450mm 晶圓的檢驗用工具 Surfscan SP3;450mm 晶圓制造用光刻設備的兼容性的問題也有望得到暫時的解決,光刻廠商會推出一些臨時的解決方案以應對光刻機與 450mm 規格晶圓兼容的問題。

            也是在這一年,新上任的紐約州州長 Andrew Cuomo 力主搞個大政績,邀請芯片五強 ( IBM、英特爾、格芯、臺積電和三星 ) 在紐約州研發下一代芯片技術,大家表態投資 44 億美金推進 450mm,這就是全球 450 聯盟 ( G450C ) ,并于美國紐約州 Albany 設立了 450mm 晶圓技術研發中心。

            450mm 聯盟成立后,18 英寸晶圓世代的技術和機臺設備有不少方針已開始確立,是半導體產業邁入 18 英寸晶圓世代的重要里程碑。這個聯盟的關鍵基礎是紐約州立大學理工學院的實力和 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。

            實際上,除了 G450C 聯盟之外,歐盟在更早時候搞過一個 EEMI450 的合作計劃,以色列也搞過一個 Metro450,共計三個聯盟來推動 450mm 晶圓的進展,目標是可互用研究結果,減少重復性的實驗。

            除此之外,半導體制造技術戰略聯盟(SEMATECH)和國際半導體行業協會(SEMI)等也在推動全球產業鏈的合作研發,期望晶圓直徑的增大牽動整個產業鏈帶來的改變。

            衰落

            然而所有的計劃都沒有使 450mm 晶圓成功。自 2014 年開始 G450C 聯盟出現暫緩研發 450mm 晶圓的跡象。

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

            英特爾在 2014 年的撤退被認為是 450mm 晶圓消亡的一個關鍵時刻。

            而無心硬件的 IBM 把半導體部賣給了格芯,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。

            針對這種情況,SEMI 和 ISMI(美國國際半導體技術制造協會 ) 于 2014 年設立了一個 EPWG 設備生產率工作組,對過渡 450mm 晶圓問題進行了研究,得出的明確結論是—— " 此非其時 "。

            在 2014 年英特爾退出兩年后,臺積電也悄悄退出了 G450C 聯盟。

            多年以后,在回顧臺積電放棄 450mm 晶圓的原因時,前臺積電首席運營官蔣尚義在接受采訪時說道:" 當年,英特爾是推動轉向 450mm 晶圓的主要推動者,因為它認為這是獲得市場優勢的另一種方式。18 英寸會將業內小玩家擠出市場,鞏固巨頭地位。

            臺積電之所以不推廣 450mm 晶圓技術,原因是臺積電在 300mm 晶圓上已成功擊敗了許多較小的競爭對手,建立了領先優勢。但如果到 450mm,就會直接與英特爾和三星展開競爭。

            英特爾和三星都擁有比臺積電更多的工程師,而且還有更多的收入可以利用,這將有助于兩家公司在 450mm 生產上的投資比臺積電要多。所以,進軍 450mm 根本不會幫助臺積電,反而會占用臺積電太多的研發人員,削弱其在其他領域追求技術進步的能力,實際上會對公司造成潛在的傷害。"

            整體而言,業界對 450mm 晶圓進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,其中最為關鍵的半導體設備供應商,包括如應用材料、ASML 等也缺乏積極性,理由是 450mm 設備不是簡單地把腔體的直徑放大,而是要從根本上對于設備進行重新設計,因此面臨著經費與人力等問題,更多的擔心是未來的市場,能否有足夠的投資回報率。

            當時的 ASML 也正在 EUV 光刻機中掙扎,光源效率等問題一直拖后量產的時間表,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,成本并不會比 300mm 低。

            所以,關于 450mm 晶圓的聲浪看似此起彼伏,但大多數產業鏈廠商實際上都是雷聲大雨點小。

            如今,工藝制程都發展到了 3nm,卻仍未見到 450mm 晶圓的身影,甚至都沒有看到行業廠商在 450mm 晶圓上的規劃。

            歸結其原因,無外乎成本、良率、產業鏈配套等方面存在不足。

            18 英寸晶圓的主要挑戰是什么?

            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 英寸晶圓已經被證明是一個 " 海市蜃樓 ",在業界放棄這個想法之前,已經做了大量的開發工作,成本問題成為企業紛紛退出的關鍵因素。

            晶圓代紀遷移的成本是巨大的。據推算,從 150mm 到 200mm 花了大約 6 年,花費將近 15 億美金;而從 200mm 到 300mm 則花了近 10 年時間,投入了 116 億美金,成本幾乎上漲了近 8 倍。而要進化到 450mm,將耗費設備商們超過 1000 億美元的巨額研發成本。

            同時,設備成本和時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,但生產時間上要遠大于 2 倍時長。

            SEMI 曾預測每個 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,使得行業減緩了向 450mm 邁進的步伐。

            然而資金問題并不是 450mm 項目面臨的唯一難題。450mm 規格轉換的時間點,與節點制程與 EUV 光刻技術升級的時間點相互撞車則是另外一個不確定負面因素。

            良率挑戰

            且不說是否有合適的經濟模型來模擬 450mm 的各種設備成本增加,以及各種生產效率和使用率,每一步的良率都是極其不可預測的變量。

            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以百萬計的晶體管,被廣泛應用于集成電路的制造。

            假設晶圓本身工藝沒問題且同種芯片的良率穩定,那么晶圓直徑越大,晶圓利用率就越高,可產出的芯片數就越多,每個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發展的原因。

            但實際中,晶圓尺寸越大,對微電子工藝、設備、材料的要求也就越高。因為約 75% 的硅晶片采用直拉法進行生產,在結晶過程中,直徑越大,可能由于旋轉速度不穩定導致晶格結構缺陷的可能性越大。

            同時,晶圓直徑越大就意味著重量越大,邊緣處就更容易出現翹曲的情況。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大直徑導致晶圓不良率增加成本的時候,選用更大尺寸的晶圓進行生產就變得不經濟。

            產業鏈配合力度

            從行業規律來看,向更大晶圓尺寸進軍,給較小的市場玩家設置了進入壁壘。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。

            因為 450mm 晶圓涉及到整個產業鏈上下游的巨大變化,總投入是千億美元量級的,半導體業界再也沒有一家企業能夠獨家制訂標準和承擔風險。知乎博主 " 老狼 " 曾表示,如果投入一個 450mm 的 FAB, 成本將超過 100 億美金,只有少數公司能承擔得起一座 450mm 工廠,這將帶來更大的兩極分化現象。

            總的來看,遷移到新的晶圓尺寸平臺需要半導體供應鏈的上下游合作,會牽涉到整個產業鏈的資源調配,研發以及一體化行動,幾乎所有工具都需要重新研發、投產和試運行。

            類似地,設備市場也越來越集中,前 10 家供應商所占據的市場份額已經從 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持續增長,晶圓尺寸增大與利益相關者之間的垂直合作至關重要。

            目前在 18 英寸晶圓產線發展上除了資金和技術的雙重壓力,導致晶圓廠向 18 英寸晶圓產線轉進速度急劇放緩的原因還在于設備廠商的意愿。

            18 英寸的工作與過去的晶圓尺寸轉換不同,在 150mm 時,英特爾是領導轉型并支付大量工作費用的公司,而在 200mm 時則是 IBM。在 300mm 時,設備公司承擔了很多成本,他們需要很長時間才能收回投資。

            而 450mm 的成本再次被推到設備公司身上,他們非常不愿意接受這種情況。2014 年,英特爾因利用率低,42 號晶圓廠閑置,因此將資源從 18 英寸撤下,臺積電也在 18 英寸上退讓,設備公司暫停開發工作,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 的研發計劃包括 450mm 晶圓光刻系統和 EUV 光刻機系統,在發現 450mm 晶圓的道路上行不通后,ASML 于 2013 年 11 月決定暫停 450mm 光刻系統的開發,直到看到客戶及市場在這一領域有明確的需求。

            當前,ASML 試圖生產足夠的 EUV 系統并將 High NA 設備投入生產。12 英寸的 High NA EUV 系統已經非常龐大——難以運輸,制造更大的 18 英寸版本將是前所未有的工程挑戰。

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

            隨著晶圓尺寸的增大,對于系統的集成、系統的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設備制造商提出更高的要求。

            可以預見,芯片制造商和設備制造商需要共同努力實現技術進步,這樣才能應對先進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備制造商同時實現雙贏,才能持續推動半導體產業的健康發展。同樣設備制造商需要投資較之前比例更多的研發費用,才能實現 450mm 晶圓苛刻的工藝及技術要求。

            寫在最后

            對整個行業而言,450mm 晶圓尺寸遷移是一個戰略決策。但是,晶圓尺寸遷移的有效性會受到供應鏈上多種行業的動態和交互影響。

            18 英寸晶圓引進時程趨緩,主要因初期需要大規模投資,由于晶圓尺寸改變,相關設備必須配合變動,不僅需要建設新工廠,設備也需要更換,對晶圓制造廠和設備廠來說負擔不小。一旦計劃失敗恐導致較大影響,使得各家設備大廠頻踩煞車。

            目前半導體行業大多轉向活用現有設備,朝微細化先進制程方向進行發展和演進。曾經的希望現在越來越渺茫,目前 450mm 晶圓離我們不但沒有變近,反倒更加模糊不清。

            鑒于當前經濟和技術的種種形勢,轉向 450mm 晶圓的步伐很有可能會繼續延緩。一位來自某半導體廠商的高管稱,半導體業界絕不會減緩升級節點制程的速度,因為人們普遍認為,從節點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。

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

            文章內容僅供閱讀,不構成投資建議,請謹慎對待。投資者據此操作,風險自擔。

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