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晶圆制造难度
作者:小虎 阅读:11
目前世界上芯片的产能超过70%是12寸(300mm)晶圆,而第一条12寸Fab线迄今已近二十年,为什么我们还看不到下一代18寸(450mm)晶圆厂呢?首先,我们先看看为什么下一代非得是18寸,而不是14寸或者16寸呢?这是个有趣的问题。在90年代,仍认为自己执半导体牛耳的日本人,曾组织了一个超级硅晶研究所,试图直接从200mm晶圆提升到400mm。日本人成功拉出了一米多长的400mm晶棒,认为技术上可以实现450mm,但需要一口大锅,但还真没这么大的锅。拉晶炉底下是个石英锅(坩埚),用来融化多晶硅碎块。做一口纯净无比的二氧化硅大锅,却是个高超的技术活。同时,为了拉450mm的晶棒,锅里大概要放一吨的硅块,比煮300mm的汤重一倍,而且提拉的也会多用十几小时。如何让这一大锅像熔岩一样的硅浆糊一直控制在稳定的温度下,硅棒提拉和旋转速度也都极其稳定,成为比300mm更大的挑战。

后来又设计出了各种小锅加料的方法。

虽然都不容易,但半导体届对这点困难表示不屑一顾。因为 200mm x 1.5=300mm所以 300mm x 1.5=450mm就这样。历史上更大的硅片都使得单位面积芯片成本显著降低,不过究竟是怎么降低的,却是个复杂的问题。芯片生产流程中,设备成本和时间成本是两大核心要素。450mm晶圆的面积是300mm的2倍多,那么生产效率也可以是两倍吗?很遗憾,并不是这样算。更大的晶圆并不能节省光刻和测试等工艺的时间,只能节省晶圆装载、蚀刻、各种清洁打磨等时间。那么增加的设备成本能否真的转换为更高的生产效率呢?答案是:不知道。300mm晶圆厂制造成本中光刻据说已经占了一半,这个比例远高于200mm厂。SEMI曾预测每个450mm晶圆厂将耗资100亿美元,但单位面积芯片成本只下降8%。因为450mm晶圆涉及到整个产业链上下游的巨大变化,总投入是千亿美元量级的,半导体业界再也没有一家牛到能够独家制订标准和承担风险。这时还是需要产学研加上政府引导。2011年新上任的纽约州州长Andrew Cuomo力主搞了个大政绩。Cuomo成功邀到芯片五强(IBM、英特尔、格芯、台积电和三星)在纽约州大幅度研发下一代芯片技术,大家表态投资44亿美金推进450mm,这就是全球450联盟(G450C)。这个联盟的关键基础是纽约州立大学理工学院(SUNY Poly)的实力和IBM微电子大本营多年在该州的耕耘,还有纽约州承诺的政府补贴。Cuomo还拉着尼康共同出资3.5亿美元搞出450mm浸入式光刻机。欧盟在更早时间搞过一个EEMI450的合作计划,以色列也搞过一个Metro450。

然而所有的合作都没能让450mm成功。不经意间IBM将半导体部门卖给了辛格,但辛格没有足够的资金搞一个450mm那么大的项目,最后白白损失了大量前期投资。

缺钱也许是后来格芯放弃7nm研发的一个原因吧。IBM一直是SOI技术的倡导者,格芯算是继承了遗志。英特尔其实是最积极推进450mm的公司。但事不凑巧,G450C期间(2011-2016)刚好是英特尔搞14nm Broadwell的时间。被用到极限的DUV光刻机和复杂的FinFET使得英特尔当时良率非常低,路线图各种延误。解决不了技术问题,分心去上450mm晶圆意义也不大。ASML也正在EUV光刻机中挣扎,光源效率等问题一直拖后量产的时间表。资金压力使ASML率先宣布退出450mm合作。虽然有尼康光刻机支持,但是如果450mm整体良率和效率并不能显著提升的话,成本并不会比300mm低。从过程看,三星和台积电似乎是最不积极的。当时它们还在搞20nm,做450mm大哥的代价估计它们都很清楚。当初300mm晶圆厂上马的时候,大概有七、八家芯片巨头步调一致,这使得风险均摊了。SUNY Poly的CEO在2016年因丑闻下台,英特尔又一直陷在10nm的泥潭里,没有公司再愿意牵头,G450C联盟彻底瓦解。Cuomo州长倒是一直连任到今天,看来会搞经济的领导在哪里都受欢迎。错过了唯一一次时机,不再有领头羊公司搞450mm晶圆,450mm的经济性是否存在变成了无法知道的谜。且不说是否有合适的经济模型来模拟450mm的各种设备成本增加,以及各种生产效率和使用率,每一步的良率都是极其不可预测的变量。根据450mm晶圆厂的上百亿美元投资水平,能玩的只剩英特尔、三星和台积电三家了。而很明显,这次它们步调一致地把钱投到EUV。历史上的规律是在新的晶圆尺寸上开发新的制程技术,比如200mm厂大多还停留在90nm。但目前我们完全看不到300mm厂上技术研发停止的迹象。(图:300mm和450mm晶圆)

目前,在300毫米上开发一个新的7纳米芯片的初始成本可能已经是3亿美元,所以450毫米上的估计数字更可怕。目前市场上PC已经饱和,手机也接近饱和。IOT等新应用仍相对较弱。在整个半导体行业不景气的情况下,在一个月产量上万片450mm的晶圆厂进行巨额投资,如何消化产能也是一个非常现实的问题。

也许,真的要等到摩尔定律走到物理极限和遍地都是机器人的时代,我们才有机会重新看到450mm的启动。
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