「知識分享」芯片3nm制程會(huì )面臨哪些挑戰？

在半導體制造廠(chǎng)，要跟上摩爾定律不僅僅是一場(chǎng)經(jīng)濟斗爭。這也是一個(gè)過(guò)程控制技術(shù)的問(wèn)題。

半導體工業(yè)的繁榮是基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念：使晶體管更小。從晶體管的發(fā)明到現在，這種方法就像一個(gè)無(wú)底洞，每一個(gè)新的節點(diǎn)都會(huì )帶來(lái)更多的錢(qián)。

摩爾定律將半導體工業(yè)推向了這一步。圖片使用由下一個(gè)站臺

現在，隨著(zhù)制造商接近3nm，制造業(yè)和經(jīng)濟壁壘使得這一方法更加復雜。AAC曾有機會(huì )與為半導體制造廠(chǎng)開(kāi)發(fā)設備的應用材料公司（Applied Materials）坐下來(lái)，聽(tīng)取他們希望能為半導體行業(yè)注入活力的新工藝控制。

同時(shí)歷史上，隨著(zhù)新節點(diǎn)的出現，設計成本一直在增加，這些成本現在正呈指數級增長(cháng)。

據麥肯錫公司稱(chēng)，在16nm節點(diǎn)設計集成電路的總成本，包括架構、驗證和IP認證，大約花費1.04億美元。向前跳到5nm，我們已經(jīng)達到了2.97億美元。5億美元即將以3百萬(wàn)美元的價(jià)格出現。

研發(fā)和制造新型集成電路節點(diǎn)的成本呈指數級增長(cháng)。圖片使用由麥肯錫咨詢(xún)公司

然而，在許多方面，唯一比將晶體管縮小到3nm節點(diǎn)更昂貴的事情是制造能夠實(shí)際生產(chǎn)這些晶體管的制造設備。麥肯錫的同一份報告告訴我們，在16nm節點(diǎn)建造和裝備一個(gè)晶圓廠(chǎng)的成本是13億美元。在5nm，我們已經(jīng)達到了54億美元，而在未來(lái)的3nm中可能會(huì )有100億美元。

這些設備的許多成本來(lái)自于對支持較小節點(diǎn)制造的新工具的需求；例如，雖然EUV工具現在對于較小的節點(diǎn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的（也是昂貴的）必需品，但是對于大型節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它們并不存在。

半導體工廠(chǎng)所面臨的技術(shù)和經(jīng)濟挑戰已經(jīng)變得如此巨大，以至于o只有大公司才有能力在這場(chǎng)游戲中占有一席之地 .

半導體設計和制造成本不斷增加的直接必然結果是效率變得比以往任何時(shí)候都重要。這樣想吧：因為運營(yíng)一家工廠(chǎng)每天要花費數百萬(wàn)美元，任何停工都是有害的. 由于這個(gè)原因，許多晶圓廠(chǎng)將價(jià)值數百萬(wàn)美元的晶圓作為閑置庫存，因為他們寧愿承擔這些成本，也不愿承擔與停工相關(guān)的成本。

工廠(chǎng)利用率與不同補貼水平的盈虧平衡時(shí)間。圖片使用由麥肯錫咨詢(xún)公司

麥肯錫和公司的報告顯示，如果沒(méi)有政府補貼，5納米級的晶圓廠(chǎng)將需要5年以上的時(shí)間來(lái)實(shí)現投資盈虧平衡，即使其利用率為100%。當利用率降低到50%時(shí)，即使是一個(gè)獲得高達20億美元補貼的晶圓廠(chǎng)也需要10年以上才能實(shí)現盈虧平衡。

這些陡峭的經(jīng)濟壁壘甚至抑制了企業(yè)參與其中的積極性，進(jìn)一步鞏固了一些富有的公司和國家的產(chǎn)業(yè)。

這些工廠(chǎng)一直在尋找提高速度和產(chǎn)量效率的方法。應用材料公司旨在通過(guò)將人工智能和數據科學(xué)應用于晶圓檢驗過(guò)程 .

在現代半導體設備中，缺陷檢測可能是一個(gè)昂貴的過(guò)程。使用的圖像由Applied Materials提供

他們的一個(gè)平臺光線(xiàn)，利用數據科學(xué)和光學(xué)來(lái)執行更先進(jìn)的晶圓檢驗。通過(guò)收集更多的產(chǎn)量關(guān)鍵數據，該公司相信它可以將捕獲關(guān)鍵缺陷的成本降低三倍，并在同一過(guò)程中提高產(chǎn)量。

過(guò)程控制的另一個(gè)元素，SEMVision系統，是一種eBeam審查技術(shù)，它使用第三個(gè)元素來(lái)訓練光線(xiàn)系統：ExtractAI。

ExtractAI系統使用人工智能將成品缺陷與高端掃描儀產(chǎn)生的一般噪音區分開(kāi)來(lái)。事實(shí)上，該系統工作得非常好，以至于該公司報告說(shuō)，在只檢查了0.001%的樣品后，就能夠識別出晶圓上所有潛在的缺陷。

光線(xiàn)、提取器和SEMVision這三個(gè)元素使用光學(xué)來(lái)捕捉更多的成品率數據，可快速地對晶圓缺陷進(jìn)行分類(lèi)。

晶圓廠(chǎng)的主要任務(wù)是快速識別晶圓廠(chǎng)的缺陷。像那些由應用材料公司推出的工具，似乎可以在降低成本的同時(shí)保證生產(chǎn)周期的準時(shí)性。