芯片制造的光刻成本

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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察

光刻支出與沉積與蝕刻的演變對 ASML、Lam Research、Applied Materials、Tokyo Electron 等公司的相對表現有很大影響。在我們解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)方面是每個(gè) DUV 或 EUV 層的曝光量的單位成本，以及它們的數量。順便說(shuō)一句，一些賣(mài)方分析師試圖將每個(gè)節點(diǎn)的 EUV 曝光數量計算到他們的 ASML 模型中，這完全是錯誤的。

傳統觀(guān)點(diǎn)認為，更大的dies成本會(huì )成倍增加。我們認為我們所有的讀者都知道這一點(diǎn)。較大的die尺寸會(huì )增加成本，因為缺陷更有可能影響較大的die。這是小芯片革命背后的主要驅動(dòng)之一。

這種傳統的思維過(guò)程可能是完全錯誤的。讓我們使用一個(gè)帶有圖片的假設示例來(lái)解釋為何有時(shí)候較小的die制造成本更高。假設一個(gè)無(wú)晶圓廠(chǎng)芯片設計團隊正在決定是制作單個(gè)大型單片芯片還是 2 個(gè)小芯片 MCM 設計。左邊是一個(gè)25 毫米 x 32 毫米、800 平方毫米的晶圓。右邊是一個(gè) 13.5 毫米 x 32 毫米、432 平方毫米的裸片晶圓。2 個(gè)小芯片設計中每個(gè)小芯片的硅片數量只會(huì )增加 8%，這與 AMD 使用其當前小芯片 CPU 所經(jīng)歷的開(kāi)銷(xiāo)相似。盡管兩個(gè)節點(diǎn)已被模擬為具有相同的每 cm 2 (0.1)缺陷數，但兩種設計之間的無(wú)缺陷裸片數量差異很大。

單片設計每個(gè)晶圓有 30 個(gè)好的die，而小芯片 MCM 設計每個(gè)晶圓有 79 個(gè)好的die。假設所有有缺陷的die都必須扔進(jìn)垃圾桶。如果沒(méi)有芯片良率收獲，單片設計的設計公司每片晶圓只能賣(mài)30個(gè)產(chǎn)品，而chiplet MCM設計可以賣(mài)39.5個(gè)。

通過(guò)使用小芯片和 MCM，每個(gè)晶圓的產(chǎn)品數量增加了約 30%。如果假設每個(gè)晶圓的成本為 17,000 美元，那么單片無(wú)缺陷硅片的成本為 567 美元，而小芯片 MCM 每個(gè)無(wú)缺陷硅片的成本為 215 美元，兩個(gè)則為 430 美元。顯然，如果我們設計團隊應該選擇小芯片 MCM 選項忽略任何功耗、芯片收獲和包裝成本差異，因為它們可以為每件產(chǎn)品節省 136 美元！

如果我們告訴你這個(gè)小芯片 MCM 設計更貴怎么辦？

你可能不會(huì )相信我們，但讓我們來(lái)看看如何。在這個(gè)假設場(chǎng)景中，假設產(chǎn)品使用代工 5nm 級節點(diǎn)。假設這家代工廠(chǎng)以約 17,000 美元的價(jià)格出售這些晶圓，毛利率約為 50%。以下是按消耗品或工藝步驟劃分的成本細分，包括工具折舊、維護成本、電力使用、員工成本分配等。

這些數字與我們的實(shí)際估計相差甚遠，但一致的是最大的成本中心是光刻——接近加工晶圓成本的近1/3。光刻成本只是一個(gè)平均假設。根據您選擇的裸片尺寸，它可能會(huì )有很大差異。

光刻工具不加選擇地暴露硅片。它需要知道在哪里用光刻曝光，在哪里不曝光。光掩模是包含芯片設計并阻擋光線(xiàn)或允許光線(xiàn)通過(guò)以暴露硅片的東西。領(lǐng)先的 5nm 代工設計將有十幾個(gè) EUV 光掩模和另外幾十個(gè) DUV 光掩模。這些光掩模中的每一個(gè)都對應于晶圓上的一個(gè)特征或特征的一部分，并且對于每個(gè)芯片設計都是唯一的。通過(guò)光刻和所有其他工藝步驟的循環(huán)，這家代工廠(chǎng)可以在大約 10 周的時(shí)間內在晶圓上制造出特定的 5nm 芯片。下面是一張 DUV 光掩模的圖片。

標準光掩模為 104 毫米 x 132 毫米。然后，光刻工具通過(guò)光掩模曝光，以 4 倍放大率在晶圓上打印特征。該區域為 26 毫米 x 33 毫米。大多數設計不能與 26 毫米 x 33 毫米完美對齊。

為了更好地計算，我們引入了標線(xiàn)（reticle）利用率的概念。

通常，芯片設計較小，因此光掩?？梢园鄠€(gè)與上圖相同的設計。即使這樣，大多數設計也不能完美地適應 26mm x 33m 的場(chǎng)，因此通常該光掩模的一部分也沒(méi)有曝光。

如果一個(gè)die是 12 毫米 x 16 毫米，我們可以在每個(gè)標線(xiàn)片上安裝 4 個(gè)die。這里的標線(xiàn)利用率非常高，因為只有一小部分標線(xiàn)沒(méi)有暴露。對于 25mm x 32mm 的單片芯片，我們在狹縫和掃描方向上不使用 1mm。那個(gè)標線(xiàn)的利用率同樣很高。對于我們的小芯片，它是 13.5 毫米 x 32 毫米。該die太大，無(wú)法在標線(xiàn)板上并排放置 2 個(gè)die，因此每個(gè)標線(xiàn)板只能有 1 個(gè)die。下圖顯示了上述示例的一些可視化。

你可能會(huì )問(wèn)，標線(xiàn)利用率低有什么問(wèn)題？

這成為一個(gè)巨大的成本問(wèn)題，因為當我們縮小到晶圓級的處理過(guò)程時(shí)會(huì )發(fā)生什么。放置在光刻工具和工具中的硅片一次暴露硅片標線(xiàn)區域的一部分。如果使用完整的 26mm x 33mm 掩模版，則光刻工具以最少的步數跨過(guò) 300mm 硅片，12 個(gè)掩模版區域寬和 10 個(gè)掩模版區域高。如果分劃板利用率較低，則工具必須在每個(gè)方向上越過(guò)和越過(guò)晶片更多次。

將每個(gè)晶圓上的 25mm x 32mm 單片芯片與 13.5mm x 32mm 小芯片 MCM 設計進(jìn)行比較時(shí)，我們需要將晶圓跨過(guò) 1.875 倍！

現代 DUV 和 EUV 工具具有狹縫（slit）和掃描（scan）功能。狹縫（26 毫米）是暴露出來(lái)的，它掃描（33 毫米）穿過(guò)十字線(xiàn)區域。下面這張Andreas Schilling分享的來(lái)自 ASML 的關(guān)于 High-NA EUV 的 gif 展示了這個(gè)概念。使用 High-NA EUV，狹縫最大仍為 26mm，掃描減半。生產(chǎn)力的主要損失是晶圓臺必須移動(dòng)的速度。

在這種假設情況下，代工廠(chǎng)現在每片晶圓的光刻成本要多花 2,174 美元。這是一個(gè)巨大的成本增加，代工廠(chǎng)不會(huì )為已經(jīng)有非常緊張的利潤交易的大批量客戶(hù)忍受。假設代工廠(chǎng)按利潤率定價(jià)，因此無(wú)論設計如何，都能保持 50% 的毛利率。

未充分利用分劃板上的狹縫導致的成本增加意味著(zhù)代工廠(chǎng)不會(huì )以 17,000 美元的價(jià)格出售這些晶圓來(lái)維持 50.2% 的毛利率。相反，他們將以 21,364 美元的價(jià)格出售這些晶圓。單片產(chǎn)品的無(wú)缺陷硅成本仍為 567 美元。每個(gè)裸片的無(wú)缺陷硅成本不是 215 美元，而是 270 美元。每件產(chǎn)品不再是 430 美元，而是 541 美元。

小芯片與單片的決定現在變得更加困難。一旦考慮到封裝成本，單片芯片的制造成本很可能會(huì )更便宜。此外，小芯片設計存在一些電力成本。在這種情況下，構建一個(gè)大型單片芯片絕對比使用chiplet/MCM 更好。

此示例是選擇用于演示標線(xiàn)利用率點(diǎn)的最壞情況。這種簡(jiǎn)單化和假設性的分析還有很多警告。此外，與其他工藝步驟相比，5nm 之前以及我們進(jìn)入柵極之后的大多數其他工藝節點(diǎn)都具有較低的光刻成本。大多數小芯片架構可能會(huì )提高而不是降低標線(xiàn)利用率。