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谈谈没量产的18吋晶圆

半导体行业观察 | 来源

L晨光 | 作者

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多少年来,半导体业以遵循摩尔定律的技术发展为首要原动力。

在摩尔定律推动下,生产成本不断下降,也带来了技术革新。为了提高产品的生产效率和利润,晶圆尺寸的扩大和芯片线宽的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。

通常来讲,半导体行业每十年升级fab架构来增加晶圆直径,而同时工艺制程则是保持在每两年一个节点的速度。随着纳米尺度逼近物理极限,工艺节点的技术进步已经放缓,晶圆尺寸的增加变得越来越重要。

晶圆尺寸越大则每片晶圆上可以制造的芯片数量就越多,从而制造成本就越低。

晶圆尺寸从早期的2英寸(50mm)、4英寸(100mm),发展到6英寸(150mm)、8英寸(200mm)和12英寸(300mm),大约每10年升级一次。

1991年业界开始投产200mm晶圆,2001年左右起步向300mm晶圆过渡,依次类推,ITRS(国际半导体技术发展路线图)和摩尔定律都认为,2010年之后逐渐开始迈向450mm(18英寸)晶圆。

彼时,英特尔、三星和台积电等行业巨头都表示了肯定态度,为2012年过渡到450mm而做着准备,与制造设备、材料厂商开展协商以便供应设备和材料,同时进行有关标准化方面的工作。他们设想向450mm过渡就像以往向300mm过渡一样,可以增加向用户提供的价值,生产率翻番。

200mm晶圆到300mm的迁移,曾经让单位晶体管成本突破摩尔定律,产生了跃变。这也很好理解,越大的晶圆就能够切割出更多的Die,从而大大降低单晶体管的价格。据统计,每次提升晶圆尺寸,产出Die的数量至少提高一倍。

然而,一切理想中的优势和规划终究未能落地。有数据表明,当前一代晶圆变成主流,支持了大约 40% 的总产能时(从而可以维持健康的产能组合,成本足以支持不同的应用),新一代晶圆就会开始。

然而,目前世界上芯片的产能超过70%是12英寸晶圆,第一条12英寸Fab线迄今已近二十年,我们却尚未看到下一代18英寸晶圆厂的出现。

那么,18英寸的计划究竟为什么“胎死腹中”?

01

18英寸晶圆往事

萌芽

早在2004年,在芯片联盟International Sematech主办的全球经济研讨会上,时任美国应用材料公司常务董事Iddo Hadar发言说:“半导体产业在向450mm晶圆方向前进,450mm晶圆厂将在2011-2015年出现。”

2007年,ISMI(国际半导体技术制造协会)强调,在摩尔定律的指引下,未来生产成本需要降低30%,产品生产周期需要改善50%,而这种需求只有过渡到450mm晶圆尺寸才能做到。

在业界的一致推崇和引导下,2008年英特尔宣布与三星、台积电达成合作协议,将在2012年投产450mm芯片晶圆,预计会首先用于切割22nm工艺处理器。

英特尔相信,从300mm晶圆到450mm的迁移将使每个晶圆的芯片数量增加一倍以上。英特尔、三星和台积电计划与整个半导体产业合作,确保所有必需的部件、基础设施、生产能力都能在2012年完成开发和测试,并投入试验性生产。

这个蓝图被写入到2009和2010年的ITRS(半导体协会技术发展路线图)中,但是2012年的ITRS被重新修改,原定计划目标全部推迟2年。根据2012年ITRS规划,450mm晶圆尺寸生产材料及设备制造商,应当在2013-2014年形成生产能力,并提供相应设备给IDM和Foundry。

在2011年Semicon West会议上,过去一直对450mm规格转换没什么好感的半导体设备厂商,在各方的劝说下,也已经慢慢转变了对其的态度,并做出了一些有实质性意义的转变动作。比如应用材料公司表示将在450mm项目上的投资将超过1亿美元规模;量检具厂商KLA Tencor便推出了其可适用于450mm晶圆的检验用工具Surfscan SP3;450mm晶圆制造用光刻设备的兼容性的问题也有望得到暂时的解决,光刻厂商会推出一些临时的解决方案以应对光刻机与450mm规格晶圆兼容的问题。

也是在这一年,新上任的纽约州州长Andrew Cuomo力主搞个大政绩,邀请芯片五强(IBM、英特尔、格芯、台积电和三星)在纽约州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),并于美国纽约州Albany设立了450mm晶圆技术研发中心。

450mm联盟成立后,18英寸晶圆世代的技术和机台设备有不少方针已开始确立,是半导体产业迈入18英寸晶圆世代的重要里程碑。这个联盟的关键基础是纽约州立大学理工学院的实力和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。期间,Cuomo还拉着尼康共同出资3.5亿美元搞450mm浸入式光刻机。

实际上,除了G450C联盟之外,欧盟在更早时候搞过一个EEMI450的合作计划,以色列也搞过一个Metro450,共计三个联盟来推动450mm晶圆的进展,目标是可互用研究结果,减少重复性的实验。

除此之外,半导体制造技术战略联盟(SEMATECH)和国际半导体行业协会(SEMI)等也在推动全球产业链的合作研发,期望晶圆直径的增大牵动整个产业链带来的改变。

衰落

然而所有的计划都没有使450mm晶圆成功。自2014年开始G450C联盟出现暂缓研发450mm晶圆的迹象。

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,没有心思再去关注450mm晶圆。

英特尔在2014年的撤退被认为是450mm晶圆消亡的一个关键时刻。

而无心硬件的IBM把半导体部卖给了格芯,但格芯并没有足够的钱去搞450mm这么大的工程,最后白白损失了一大笔之前的投入。

针对这种情况,SEMI和ISMI(美国国际半导体技术制造协会)于2014年设立了一个EPWG设备生产率工作组,对过渡450mm晶圆问题进行了研究,得出的明确结论是——“此非其时”。

在2014年英特尔退出两年后,台积电也悄悄退出了G450C联盟。

多年以后,在回顾台积电放弃450mm晶圆的原因时,前台积电首席运营官蒋尚义在接受采访时说道:“当年,英特尔是推动转向450mm晶圆的主要推动者,因为它认为这是获得市场优势的另一种方式。18英寸会将业内小玩家挤出市场,巩固巨头地位。

台积电之所以不推广450mm晶圆技术,原因是台积电在300mm晶圆上已成功击败了许多较小的竞争对手,建立了领先优势。但如果到450mm,就会直接与英特尔和三星展开竞争。

英特尔和三星都拥有比台积电更多的工程师,而且还有更多的收入可以利用,这将有助于两家公司在450mm生产上的投资比台积电要多。所以,进军450mm根本不会帮助台积电,反而会占用台积电太多的研发人员,削弱其在其他领域追求技术进步的能力,实际上会对公司造成潜在的伤害。”

整体而言,业界对450mm晶圆进程自开始就有不同的看法,除了上述厂商的犹豫不决和无暇分心之外,其中最为关键的半导体设备供应商,包括如应用材料、ASML等也缺乏积极性,理由是450mm设备不是简单地把腔体的直径放大,而是要从根本上对于设备进行重新设计,因此面临着经费与人力等问题,更多的担心是未来的市场,能否有足够的投资回报率。

当时的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。虽然有尼康的光刻机支持,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。

所以,关于450mm晶圆的声浪看似此起彼伏,但大多数产业链厂商实际上都是雷声大雨点小。

如今,工艺制程都发展到了3nm,却仍未见到450mm晶圆的身影,甚至都没有看到行业厂商在450mm晶圆上的规划。

归结其原因,无外乎成本、良率、产业链配套等方面存在不足。

02

18英寸晶圆的主要挑战是什么?

成本巨大

商人往往是无利不起早的,既然450mm能够降低Die的成本,那大家为什么不积极布局呢?

18英寸晶圆已经被证明是一个“海市蜃楼”,在业界放弃这个想法之前,已经做了大量的开发工作,成本问题成为企业纷纷退出的关键因素。

晶圆代纪迁移的成本是巨大的。据推算,从150mm到200mm花了大约6 年,花费将近15亿美金;而从200mm到300mm则花了近10年时间,投入了116 亿美金,成本几乎上涨了近8倍。而要进化到450mm,将耗费设备商们超过1000亿美元的巨额研发成本。

同时,设备成本和时间成本减缓了晶圆尺寸迈向18英寸的脚步。虽然450mm晶圆的面积是300mm的2倍多,但生产时间上要远大于2倍时长。

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%。高额的资金压力,以及并不显著的良率和效率的提升,使得行业减缓了向450mm迈进的步伐。

然而资金问题并不是450mm项目面临的唯一难题。450mm规格转换的时间点,与节点制程与EUV光刻技术升级的时间点相互撞车则是另外一个不确定负面因素。

良率挑战

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。

从原理来看,晶圆是由硅锭加工而成的,通过专门的工艺可以在硅晶片上刻蚀出数以百万计的晶体管,被广泛应用于集成电路的制造。

假设晶圆本身工艺没问题且同种芯片的良率稳定,那么晶圆直径越大,晶圆利用率就越高,可产出的芯片数就越多,每个芯片的成本也就越低。这也是晶圆厂向更大直径晶圆制造技术发展的原因。

但实际中,晶圆尺寸越大,对微电子工艺、设备、材料的要求也就越高。因为约75%的硅晶片采用直拉法进行生产,在结晶过程中,直径越大,可能由于旋转速度不稳定导致晶格结构缺陷的可能性越大。

同时,晶圆直径越大就意味着重量越大,边缘处就更容易出现翘曲的情况。因此,晶圆越大,良品率越低,晶圆单位面积成本越高。

因此,通过增大晶圆尺寸降低的成本不能弥补大直径导致晶圆不良率增加成本的时候,选用更大尺寸的晶圆进行生产就变得不经济。

产业链配合力度

从行业规律来看,向更大晶圆尺寸进军,给较小的市场玩家设置了进入壁垒。从芯片制造厂商方面看,大约有130 家公司拥有150mm晶圆厂,而拥有200mm晶圆厂的公司不到90家,拥有300mm晶圆厂的公司只有24家。

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企业能够独家制订标准和承担风险。知乎博主“老狼”曾表示,如果投入一个450mm的FAB, 成本将超过100亿美金,只有少数公司能承担得起一座450mm工厂,这将带来更大的两极分化现象。

总的来看,迁移到新的晶圆尺寸平台需要半导体供应链的上下游合作,会牵涉到整个产业链的资源调配,研发以及一体化行动,几乎所有工具都需要重新研发、投产和试运行。

类似地,设备市场也越来越集中,前10家供应商所占据的市场份额已经从90年代的60%增长到了2000年代的75%以上。为了维持芯片成本下降和行业持续增长,晶圆尺寸增大与利益相关者之间的垂直合作至关重要。

目前在18英寸晶圆产线发展上除了资金和技术的双重压力,导致晶圆厂向18英寸晶圆产线转进速度急剧放缓的原因还在于设备厂商的意愿。

18英寸的工作与过去的晶圆尺寸转换不同,在150mm时,英特尔是领导转型并支付大量工作费用的公司,而在200mm时则是IBM。在300mm时,设备公司承担了很多成本,他们需要很长时间才能收回投资。

而450mm的成本再次被推到设备公司身上,他们非常不愿意接受这种情况。2014年,英特尔因利用率低,42号晶圆厂闲置,因此将资源从18英寸撤下,台积电也在18英寸上退让,设备公司暂停开发工作,18英寸晶圆就此“死亡”。

在前车之鉴的阴影下,重振18英寸之路并非易事。

最初ASML的研发计划包括450mm晶圆光刻系统和EUV光刻机系统,在发现450mm晶圆的道路上行不通后,ASML于2013年11月决定暂停450mm光刻系统的开发,直到看到客户及市场在这一领域有明确的需求。

当前,ASML试图生产足够的EUV系统并将High NA设备投入生产。12英寸的High NA EUV系统已经非常庞大——难以运输,制造更大的18英寸版本将是前所未有的工程挑战。

此外,为了维持更大晶圆的均匀性、生产性和良品率,18英寸产线对晶圆传送工具、单片加工设备、精密切割设备及CMP等设备提出了更高的精准度要求,要产生更大的成本。加工更大晶圆和更小的容差的设备变得更加昂贵。

随着晶圆尺寸的增大,对于系统的集成、系统的自动化、材料的特殊要求及整体功耗等都对设备制造商提出更高的要求。

可以预见,芯片制造商和设备制造商需要共同努力实现技术进步,这样才能应对先进的小型化和晶圆尺寸增长所带来的更大难题。只有使得芯片制造商与设备制造商同时实现双赢,才能持续推动半导体产业的健康发展。同样设备制造商需要投资较之前比例更多的研发费用,才能实现450mm晶圆苛刻的工艺及技术要求。

03

写在最后

对整个行业而言,450mm晶圆尺寸迁移是一个战略决策。但是,晶圆尺寸迁移的有效性会受到供应链上多种行业的动态和交互影响。

18英寸晶圆引进时程趋缓,主要因初期需要大规模投资,由于晶圆尺寸改变,相关设备必须配合变动,不仅需要建设新工厂,设备也需要更换,对晶圆制造厂和设备厂来说负担不小。一旦计划失败恐导致较大影响,使得各家设备大厂频踩煞车。

目前半导体行业大多转向活用现有设备,朝微细化先进制程方向进行发展和演进。曾经的希望现在越来越渺茫,目前450mm晶圆离我们不但没有变近,反倒更加模糊不清。

鉴于当前经济和技术的种种形势,转向450mm晶圆的步伐很有可能会继续延缓。一位来自某半导体厂商的高管称,半导体业界绝不会减缓升级节点制程的速度,因为人们普遍认为,从节点制程的缩减中所获取的利益,要比采用更大尺寸晶圆所获得的成本利益更为重要。

但事物总是要发展的,如今先进制程到了3nm甚至2nm以后,摩尔定律逐渐失速,不知业界是否会将目光重新聚焦到450mm晶圆上来。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。

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