談?wù)剾](méi)量產(chǎn)的18吋晶圓

來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察

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(chǎn)上的投資比臺積電要多。所以，進(jìn)軍450mm根本不會(huì )幫助臺積電，反而會(huì )占用臺積電太多的研發(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 )對公司造成潛在的傷害?！?/span>
整體而言，業(yè)界對450mm晶圓進(jìn)程自開(kāi)始就有不同的看法，除了上述廠(chǎng)商的猶豫不決和無(wú)暇分心之外，其中最為關(guān)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(jiǎn)單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對于設備進(jìn)行重新設計，因此面臨著(zhù)經(jīng)費與人力等問(wèn)題，更多的擔心是未來(lái)的市場(chǎng)，能否有足夠的投資回報率。當時(shí)的ASML也正在EUV光刻機中掙扎，光源效率等問(wèn)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支持，但是如果450mm整體良率和效率并不能顯著(zhù)提升的話(huà)，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，但大多數產(chǎn)業(yè)鏈廠(chǎng)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(jiàn)到450mm晶圓的身影，甚至都沒(méi)有看到行業(yè)廠(chǎng)商在450mm晶圓上的規劃。
歸結其原因，無(wú)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是什么？
成本巨大商人往往是無(wú)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(kāi)發(fā)工作，成本問(wèn)題成為企業(yè)紛紛退出的關(guān)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(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，將耗費設備商們超過(guò)1000億美元的巨額研發(fā)成本。

同時(shí)，設備成本和時(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)間上要遠大于2倍時(shí)長(cháng)。
SEMI曾預測每個(gè)450mm晶圓廠(chǎng)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(zhù)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(wèn)題并不是450mm項目面臨的唯一難題。450mm規格轉換的時(shí)間點(diǎn)，與節點(diǎn)制程與EUV光刻技術(shù)升級的時(shí)間點(diǎn)相互撞車(chē)則是另外一個(gè)不確定負面因素。
良率挑戰
且不說(shuō)是否有合適的經(jīng)濟模型來(lái)模擬450mm的各種設備成本增加，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測的變量。

從原理來(lái)看，晶圓是由硅錠加工而成的，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數以百萬(wàn)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(méi)問(wèn)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(chǎn)出的芯片數就越多，每個(gè)芯片的成本也就越低。這也是晶圓廠(chǎng)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(jìn)行生產(chǎn)，在結晶過(guò)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(shí)，晶圓直徑越大就意味著(zhù)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(guò)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(shí)候，選用更大尺寸的晶圓進(jìn)行生產(chǎn)就變得不經(jīng)濟。
產(chǎn)業(yè)鏈配合力度
從行業(yè)規律來(lái)看，向更大晶圓尺寸進(jìn)軍，給較小的市場(chǎng)玩家設置了進(jìn)入壁壘。從芯片制造廠(chǎng)商方面看，大約有130 家公司擁有150mm晶圓廠(chǎng)，而擁有200mm晶圓廠(chǎng)的公司不到90家，擁有300mm晶圓廠(chǎng)的公司只有24家。

因為450mm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的，半導體業(yè)界再也沒(méi)有一家企業(yè)能夠獨家制訂標準和承擔風(fēng)險。知乎博主“老狼”曾表示，如果投入一個(gè)450mm的FAB, 成本將超過(guò)100億美金，只有少數公司能承擔得起一座450mm工廠(chǎng)，這將帶來(lái)更大的兩極分化現象。
總的來(lái)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(huì )牽涉到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的資源調配，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)和試運行。
類(lèi)似地，設備市場(chǎng)也越來(lái)越集中，前10家供應商所占據的市場(chǎng)份額已經(jīng)從90年代的60%增長(cháng)到了2000年代的75%以上。為了維持芯片成本下降和行業(yè)持續增長(cháng)，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(xiàn)發(fā)展上除了資金和技術(shù)的雙重壓力，導致晶圓廠(chǎng)向18英寸晶圓產(chǎn)線(xiàn)轉進(jìn)速度急劇放緩的原因還在于設備廠(chǎng)商的意愿。
18英寸的工作與過(guò)去的晶圓尺寸轉換不同，在150mm時(shí)，英特爾是領(lǐng)導轉型并支付大量工作費用的公司，而在200mm時(shí)則是IBM。在300mm時(shí)，設備公司承擔了很多成本，他們需要很長(cháng)時(shí)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(chǎng)閑置，因此將資源從18英寸撤下，臺積電也在18英寸上退讓?zhuān)O備公司暫停開(kāi)發(fā)工作，18英寸晶圓就此“死亡”。
在前車(chē)之鑒的陰影下，重振18英寸之路并非易事。
最初ASML的研發(fā)計劃包括450mm晶圓光刻系統和EUV光刻機系統，在發(fā)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(kāi)發(fā)，直到看到客戶(hù)及市場(chǎng)在這一領(lǐng)域有明確的需求。當前，ASML試圖生產(chǎn)足夠的EUV系統并將High NA設備投入生產(chǎn)。12英寸的High NA EUV系統已經(jīng)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(chǎn)性和良品率，18英寸產(chǎn)線(xiàn)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(chǎn)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(zhù)晶圓尺寸的增大，對于系統的集成、系統的自動(dòng)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(jiàn)，芯片制造商和設備制造商需要共同努力實(shí)現技術(shù)進(jìn)步，這樣才能應對先進(jìn)的小型化和晶圓尺寸增長(cháng)所帶來(lái)的更大難題。只有使得芯片制造商與設備制造商同時(shí)實(shí)現雙贏(yíng)，才能持續推動(dòng)半導體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設備制造商需要投資較之前比例更多的研發(fā)費用，才能實(shí)現450mm晶圓苛刻的工藝及技術(shù)要求。
寫(xiě)在最后
對整個(gè)行業(yè)而言，450mm晶圓尺寸遷移是一個(gè)戰略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會(huì )受到供應鏈上多種行業(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模投資，由于晶圓尺寸改變，相關(guān)設備必須配合變動(dòng)，不僅需要建設新工廠(chǎng)，設備也需要更換，對晶圓制造廠(chǎng)和設備廠(chǎng)來(lái)說(shuō)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(chǎng)頻踩煞車(chē)。
目前半導體行業(yè)大多轉向活用現有設備，朝微細化先進(jìn)制程方向進(jìn)行發(fā)展和演進(jìn)。曾經(jīng)的希望現在越來(lái)越渺茫，目前450mm晶圓離我們不但沒(méi)有變近，反倒更加模糊不清。
鑒于當前經(jīng)濟和技術(shù)的種種形勢，轉向450mm晶圓的步伐很有可能會(huì )繼續延緩。一位來(lái)自某半導體廠(chǎng)商的高管稱(chēng)，半導體業(yè)界絕不會(huì )減緩升級節點(diǎn)制程的速度，因為人們普遍認為，從節點(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(lái)。

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