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多少年來,半導(dǎo)體業(yè)以遵循摩爾定律的技術(shù)發(fā)展為首要原動(dòng)力。
在摩爾定律推動(dòng)下,生產(chǎn)成本不斷下降,也帶來了技術(shù)革新。為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和利潤(rùn),晶圓尺寸的擴(kuò)大和芯片線寬的減小是集成電路行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的兩條主線。
通常來講,半導(dǎo)體行業(yè)每十年升級(jí)fab架構(gòu)來增加晶圓直徑,而同時(shí)工藝制程則是保持在每?jī)赡暌粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的速度。隨著納米尺度逼近物理極限,工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)放緩,晶圓尺寸的增加變得越來越重要。
晶圓尺寸越大則每片晶圓上可以制造的芯片數(shù)量就越多,從而制造成本就越低。
晶圓尺寸從早期的2英寸(50mm)、4英寸(100mm),發(fā)展到6英寸(150mm)、8英寸(200mm)和12英寸(300mm),大約每10年升級(jí)一次。
1991年業(yè)界開始投產(chǎn)200mm晶圓,2001年左右起步向300mm晶圓過渡,依次類推,ITRS(國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)和摩爾定律都認(rèn)為,2010年之后逐漸開始邁向450mm(18英寸)晶圓。
彼時(shí),英特爾、三星和臺(tái)積電等行業(yè)巨頭都表示了肯定態(tài)度,為2012年過渡到450mm而做著準(zhǔn)備,與制造設(shè)備、材料廠商開展協(xié)商以便供應(yīng)設(shè)備和材料,同時(shí)進(jìn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。他們?cè)O(shè)想向450mm過渡就像以往向300mm過渡一樣,可以增加向用戶提供的價(jià)值,生產(chǎn)率翻番。
200mm晶圓到300mm的遷移,曾經(jīng)讓單位晶體管成本突破摩爾定律,產(chǎn)生了躍變。這也很好理解,越大的晶圓就能夠切割出更多的Die,從而大大降低單晶體管的價(jià)格。據(jù)統(tǒng)計(jì),每次提升晶圓尺寸,產(chǎn)出Die的數(shù)量至少提高一倍。
然而,一切理想中的優(yōu)勢(shì)和規(guī)劃終究未能落地。有數(shù)據(jù)表明,當(dāng)前一代晶圓變成主流,支持了大約 40% 的總產(chǎn)能時(shí)(從而可以維持健康的產(chǎn)能組合,成本足以支持不同的應(yīng)用),新一代晶圓就會(huì)開始。
然而,目前世界上芯片的產(chǎn)能超過70%是12英寸晶圓,第一條12英寸Fab線迄今已近二十年,我們卻尚未看到下一代18英寸晶圓廠的出現(xiàn)。
那么,18英寸的計(jì)劃究竟為什么“胎死腹中”?
18英寸晶圓往事
萌芽
早在2004年,在芯片聯(lián)盟International Sematech主辦的全球經(jīng)濟(jì)研討會(huì)上,時(shí)任美國(guó)應(yīng)用材料公司常務(wù)董事Iddo Hadar發(fā)言說:“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在向450mm晶圓方向前進(jìn),450mm晶圓廠將在2011-2015年出現(xiàn)?!?/span>
2007年,ISMI(國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會(huì))強(qiáng)調(diào),在摩爾定律的指引下,未來生產(chǎn)成本需要降低30%,產(chǎn)品生產(chǎn)周期需要改善50%,而這種需求只有過渡到450mm晶圓尺寸才能做到。
在業(yè)界的一致推崇和引導(dǎo)下,2008年英特爾宣布與三星、臺(tái)積電達(dá)成合作協(xié)議,將在2012年投產(chǎn)450mm芯片晶圓,預(yù)計(jì)會(huì)首先用于切割22nm工藝處理器。
英特爾相信,從300mm晶圓到450mm的遷移將使每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量增加一倍以上。英特爾、三星和臺(tái)積電計(jì)劃與整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)合作,確保所有必需的部件、基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)能力都能在2012年完成開發(fā)和測(cè)試,并投入試驗(yàn)性生產(chǎn)。
這個(gè)藍(lán)圖被寫入到2009和2010年的ITRS(半導(dǎo)體協(xié)會(huì)技術(shù)發(fā)展路線圖)中,但是2012年的ITRS被重新修改,原定計(jì)劃目標(biāo)全部推遲2年。根據(jù)2012年ITRS規(guī)劃,450mm晶圓尺寸生產(chǎn)材料及設(shè)備制造商,應(yīng)當(dāng)在2013-2014年形成生產(chǎn)能力,并提供相應(yīng)設(shè)備給IDM和Foundry。
在2011年Semicon West會(huì)議上,過去一直對(duì)450mm規(guī)格轉(zhuǎn)換沒什么好感的半導(dǎo)體設(shè)備廠商,在各方的勸說下,也已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變了對(duì)其的態(tài)度,并做出了一些有實(shí)質(zhì)性意義的轉(zhuǎn)變動(dòng)作。比如應(yīng)用材料公司表示將在450mm項(xiàng)目上的投資將超過1億美元規(guī)模;量檢具廠商KLA Tencor便推出了其可適用于450mm晶圓的檢驗(yàn)用工具Surfscan SP3;450mm晶圓制造用光刻設(shè)備的兼容性的問題也有望得到暫時(shí)的解決,光刻廠商會(huì)推出一些臨時(shí)的解決方案以應(yīng)對(duì)光刻機(jī)與450mm規(guī)格晶圓兼容的問題。
也是在這一年,新上任的紐約州州長(zhǎng)Andrew Cuomo力主搞個(gè)大政績(jī),邀請(qǐng)芯片五強(qiáng)(IBM、英特爾、格芯、臺(tái)積電和三星)在紐約州研發(fā)下一代芯片技術(shù),大家表態(tài)投資44億美金推進(jìn)450mm,這就是全球450聯(lián)盟(G450C),并于美國(guó)紐約州Albany設(shè)立了450mm晶圓技術(shù)研發(fā)中心。
450mm聯(lián)盟成立后,18英寸晶圓世代的技術(shù)和機(jī)臺(tái)設(shè)備有不少方針已開始確立,是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁入18英寸晶圓世代的重要里程碑。這個(gè)聯(lián)盟的關(guān)鍵基礎(chǔ)是紐約州立大學(xué)理工學(xué)院的實(shí)力和IBM微電子大本營(yíng)多年在該州的耕耘,還有紐約州承諾的政府補(bǔ)貼。期間,Cuomo還拉著尼康共同出資3.5億美元搞450mm浸入式光刻機(jī)。
實(shí)際上,除了G450C聯(lián)盟之外,歐盟在更早時(shí)候搞過一個(gè)EEMI450的合作計(jì)劃,以色列也搞過一個(gè)Metro450,共計(jì)三個(gè)聯(lián)盟來推動(dòng)450mm晶圓的進(jìn)展,目標(biāo)是可互用研究結(jié)果,減少重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。
除此之外,半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟(SEMATECH)和國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)等也在推動(dòng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的合作研發(fā),期望晶圓直徑的增大牽動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來的改變。
衰落
然而所有的計(jì)劃都沒有使450mm晶圓成功。自2014年開始G450C聯(lián)盟出現(xiàn)暫緩研發(fā)450mm晶圓的跡象。
英特爾其實(shí)是最積極推進(jìn)450mm的公司。但事不湊巧,G450C期間(2011-2016)剛好是英特爾搞14nm Broadwell的時(shí)間,被用到極限的DUV光刻機(jī)和復(fù)雜的FinFET使得英特爾當(dāng)時(shí)良率非常低,路線圖各種延誤,沒有心思再去關(guān)注450mm晶圓。
英特爾在2014年的撤退被認(rèn)為是450mm晶圓消亡的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。
而無心硬件的IBM把半導(dǎo)體部賣給了格芯,但格芯并沒有足夠的錢去搞450mm這么大的工程,最后白白損失了一大筆之前的投入。
針對(duì)這種情況,SEMI和ISMI(美國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會(huì))于2014年設(shè)立了一個(gè)EPWG設(shè)備生產(chǎn)率工作組,對(duì)過渡450mm晶圓問題進(jìn)行了研究,得出的明確結(jié)論是——“此非其時(shí)”。
在2014年英特爾退出兩年后,臺(tái)積電也悄悄退出了G450C聯(lián)盟。
多年以后,在回顧臺(tái)積電放棄450mm晶圓的原因時(shí),前臺(tái)積電首席運(yùn)營(yíng)官蔣尚義在接受采訪時(shí)說道:“當(dāng)年,英特爾是推動(dòng)轉(zhuǎn)向450mm晶圓的主要推動(dòng)者,因?yàn)樗J(rèn)為這是獲得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的另一種方式。18英寸會(huì)將業(yè)內(nèi)小玩家擠出市場(chǎng),鞏固巨頭地位。
臺(tái)積電之所以不推廣450mm晶圓技術(shù),原因是臺(tái)積電在300mm晶圓上已成功擊敗了許多較小的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,建立了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。但如果到450mm,就會(huì)直接與英特爾和三星展開競(jìng)爭(zhēng)。
英特爾和三星都擁有比臺(tái)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(tái)積電要多。所以,進(jìn)軍450mm根本不會(huì)幫助臺(tái)積電,反而會(huì)占用臺(tái)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(duì)公司造成潛在的傷害。”
整體而言,業(yè)界對(duì)450mm晶圓進(jìn)程自開始就有不同的看法,除了上述廠商的猶豫不決和無暇分心之外,其中最為關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商,包括如應(yīng)用材料、ASML等也缺乏積極性,理由是450mm設(shè)備不是簡(jiǎn)單地把腔體的直徑放大,而是要從根本上對(duì)于設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì),因此面臨著經(jīng)費(fèi)與人力等問題,更多的擔(dān)心是未來的市場(chǎng),能否有足夠的投資回報(bào)率。
當(dāng)時(shí)的ASML也正在EUV光刻機(jī)中掙扎,光源效率等問題一直拖后量產(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(jī)支持,但是如果450mm整體良率和效率并不能顯著提升的話,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(shù)產(chǎn)業(yè)鏈廠商實(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,卻仍未見到450mm晶圓的身影,甚至都沒有看到行業(yè)廠商在450mm晶圓上的規(guī)劃。
歸結(jié)其原因,無外乎成本、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(zhàn)是什么?
成本巨大
商人往往是無利不起早的,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)做了大量的開發(fā)工作,成本問題成為企業(yè)紛紛退出的關(guān)鍵因素。
晶圓代紀(jì)遷移的成本是巨大的。據(jù)推算,從150mm到200mm花了大約6 年,花費(fèi)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(fèi)設(shè)備商們超過1000億美元的巨額研發(fā)成本。
同時(shí),設(shè)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(yuǎn)大于2倍時(shí)長(zhǎng)。
SEMI曾預(yù)測(cè)每個(gè)450mm晶圓廠將耗資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。
然而資金問題并不是450mm項(xiàng)目面臨的唯一難題。450mm規(guī)格轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn),與節(jié)點(diǎn)制程與EUV光刻技術(shù)升級(jí)的時(shí)間點(diǎn)相互撞車則是另外一個(gè)不確定負(fù)面因素。
良率挑戰(zhàn)
且不說是否有合適的經(jīng)濟(jì)模型來模擬450mm的各種設(shè)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(yù)測(cè)的變量。
從原理來看,晶圓是由硅錠加工而成的,通過專門的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管,被廣泛應(yīng)用于集成電路的制造。
假設(shè)晶圓本身工藝沒問題且同種芯片的良率穩(wěn)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(shù)就越多,每個(gè)芯片的成本也就越低。這也是晶圓廠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(duì)微電子工藝、設(shè)備、材料的要求也就越高。因?yàn)榧s75%的硅晶片采用直拉法進(jìn)行生產(chǎn),在結(jié)晶過程中,直徑越大,可能由于旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)缺陷的可能性越大。
同時(shí),晶圓直徑越大就意味著重量越大,邊緣處就更容易出現(xiàn)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,通過增大晶圓尺寸降低的成本不能彌補(bǔ)大直徑導(dǎo)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(jì)。
產(chǎn)業(yè)鏈配合力度
從行業(yè)規(guī)律來看,向更大晶圓尺寸進(jìn)軍,給較小的市場(chǎng)玩家設(shè)置了進(jìn)入壁壘。從芯片制造廠商方面看,大約有130 家公司擁有150mm晶圓廠,而擁有200mm晶圓廠的公司不到90家,擁有300mm晶圓廠的公司只有24家。
因?yàn)?50mm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(jí)的,半導(dǎo)體業(yè)界再也沒有一家企業(yè)能夠獨(dú)家制訂標(biāo)準(zhǔn)和承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。知乎博主“老狼”曾表示,如果投入一個(gè)450mm的FAB, 成本將超過100億美金,只有少數(shù)公司能承擔(dān)得起一座450mm工廠,這將帶來更大的兩極分化現(xiàn)象。
總的來看,遷移到新的晶圓尺寸平臺(tái)需要半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的上下游合作,會(huì)牽涉到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的資源調(diào)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(yùn)行。
類似地,設(shè)備市場(chǎng)也越來越集中,前10家供應(yīng)商所占據(jù)的市場(chǎng)份額已經(jīng)從90年代的60%增長(zhǎng)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(xù)增長(zhǎng),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)線發(fā)展上除了資金和技術(shù)的雙重壓力,導(dǎo)致晶圓廠向18英寸晶圓產(chǎn)線轉(zhuǎn)進(jìn)速度急劇放緩的原因還在于設(shè)備廠商的意愿。
18英寸的工作與過去的晶圓尺寸轉(zhuǎn)換不同,在150mm時(shí),英特爾是領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型并支付大量工作費(fèi)用的公司,而在200mm時(shí)則是IBM。在300mm時(shí),設(shè)備公司承擔(dān)了很多成本,他們需要很長(zhǎng)時(shí)間才能收回投資。
而450mm的成本再次被推到設(shè)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(hào)晶圓廠閑置,因此將資源從18英寸撤下,臺(tái)積電也在18英寸上退讓,設(shè)備公司暫停開發(fā)工作,18英寸晶圓就此“死亡”。
在前車之鑒的陰影下,重振18英寸之路并非易事。
最初ASML的研發(fā)計(jì)劃包括450mm晶圓光刻系統(tǒng)和EUV光刻機(jī)系統(tǒng),在發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的開發(fā),直到看到客戶及市場(chǎng)在這一領(lǐng)域有明確的需求。
當(dāng)前,ASML試圖生產(chǎn)足夠的EUV系統(tǒng)并將High NA設(shè)備投入生產(chǎn)。12英寸的High NA EUV系統(tǒng)已經(jīng)非常龐大——難以運(yùn)輸,制造更大的18英寸版本將是前所未有的工程挑戰(zhàn)。
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)線對(duì)晶圓傳送工具、單片加工設(shè)備、精密切割設(shè)備及CMP等設(shè)備提出了更高的精準(zhǔn)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(shè)備變得更加昂貴。
隨著晶圓尺寸的增大,對(duì)于系統(tǒng)的集成、系統(tǒng)的自動(dòng)化、材料的特殊要求及整體功耗等都對(duì)設(shè)備制造商提出更高的要求。
可以預(yù)見,芯片制造商和設(shè)備制造商需要共同努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步,這樣才能應(yīng)對(duì)先進(jìn)的小型化和晶圓尺寸增長(zhǎng)所帶來的更大難題。只有使得芯片制造商與設(shè)備制造商同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙贏,才能持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設(shè)備制造商需要投資較之前比例更多的研發(fā)費(fèi)用,才能實(shí)現(xiàn)450mm晶圓苛刻的工藝及技術(shù)要求。
寫在最后
對(duì)整個(gè)行業(yè)而言,450mm晶圓尺寸遷移是一個(gè)戰(zhàn)略決策。但是,晶圓尺寸遷移的有效性會(huì)受到供應(yīng)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(guī)模投資,由于晶圓尺寸改變,相關(guān)設(shè)備必須配合變動(dòng),不僅需要建設(shè)新工廠,設(shè)備也需要更換,對(duì)晶圓制造廠和設(shè)備廠來說負(fù)擔(dān)不小。一旦計(jì)劃失敗恐導(dǎo)致較大影響,使得各家設(shè)備大廠頻踩煞車。
目前半導(dǎo)體行業(yè)大多轉(zhuǎn)向活用現(xiàn)有設(shè)備,朝微細(xì)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(xiàn)在越來越渺茫,目前450mm晶圓離我們不但沒有變近,反倒更加模糊不清。
鑒于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的種種形勢(shì),轉(zhuǎn)向450mm晶圓的步伐很有可能會(huì)繼續(xù)延緩。一位來自某半導(dǎo)體廠商的高管稱,半導(dǎo)體業(yè)界絕不會(huì)減緩升級(jí)節(jié)點(diǎn)制程的速度,因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為,從節(jié)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。
本文來自微信公眾號(hào):半導(dǎo)體行業(yè)觀察 (ID:icbank),作者:L晨光
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