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是什么阻止了在18寸(450mm)晶圆上生产芯片?

2019-10-28
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目前世界上芯片的产能超过70%是12寸(300mm)晶圆,而第一条12寸Fab线迄今已近二十年,为什么我们还看不到下一代18寸(450mm)晶圆厂呢?



首先,我们先看看为什么下一代非得是18寸,而不是14寸或者16寸呢?这是个有趣的问题。


在90年代,仍认为自己执半导体牛耳的日本人,曾组织了一个超级硅晶研究所,试图直接从200mm晶圆提升到400mm。


日本人成功拉出了一米多长的400mm晶棒,认为技术上可以实现450mm,但需要一口大锅,但还真没这么大的锅。


拉晶炉底下是个石英锅(坩埚),用来融化多晶硅碎块。做一口纯净无比的二氧化硅大锅,却是个高超的技术活。


同时,为了拉450mm的晶棒,锅里大概要放一吨的硅块,比煮300mm的汤重一倍,而且提拉的也会多用十几小时。


如何让这一大锅像熔岩一样的硅浆糊一直控制在稳定的温度下,硅棒提拉和旋转速度也都极其稳定,成为比300mm更大的挑战。

(视频:Cz Method生产硅晶棒)


后来,还不断有各种用小锅不停加料的方法被设计出来。


虽然都不容易,但半导体届对这点困难表示不屑一顾。


因为 200mm x 1.5=300mm
所以 300mm x 1.5=450mm


就这样。


历史上更大的硅片都使得单位面积芯片成本显著降低,不过究竟是怎么降低的,却是个复杂的问题。


芯片生产流程中,设备成本和时间成本是两大核心要素。


450mm晶圆的面积是300mm的2倍多,那么生产效率也可以是两倍吗?


很遗憾,并不是这样算。


更大的晶圆并不能节省光刻和测试等工艺的时间,只能节省晶圆装载、蚀刻、各种清洁打磨等时间。


那么增加的设备成本能否真的转换为更高的生产效率呢?


答案是:不知道。


300mm晶圆厂制造成本中光刻据说已经占了一半,这个比例远高于200mm厂。


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%。


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牛到能够独家制订标准和承担风险。


这时还是需要产学研加上政府引导。


2011年新上任的纽约州州长Andrew Cuomo力主搞了个大政绩。


Cuomo成功邀到芯片五强(IBM、英特尔、格芯、台积电和三星)在纽约州大幅度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)。


这个联盟的关键基础是纽约州立大学理工学院(SUNY Poly)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。


Cuomo还拉着尼康共同出资3.5亿美元搞出450mm浸入式光刻机。


欧盟在更早时间搞过一个EEMI450的合作计划,以色列也搞过一个Metro450。


然而所有的合作都没有使450mm成功。


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。


缺钱也许是后来格芯放弃7nm研发的一个原因吧。IBM一直是SOI技术的倡导者,格芯算是继承了遗志。


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。解决不了技术问题,分心去上450mm晶圆意义也不大。


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。


从过程看,三星和台积电似乎是最不积极的。当时它们还在搞20nm,做450mm大哥的代价估计它们都很清楚。


当初300mm晶圆厂上马的时候,大概有七、八家芯片巨头步调一致,这使得风险均摊了。


SUNY Poly的CEO在2016年因丑闻下台,英特尔又一直陷在10nm的泥潭里,没有公司再愿意牵头,G450C联盟彻底瓦解。


Cuomo州长倒是一直连任到今天,看来会搞经济的领导在哪里都受欢迎。


错过了唯一一次时机,不再有领头羊公司搞450mm晶圆,450mm的经济性是否存在变成了无法知道的谜。


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。


根据450mm晶圆厂的上百亿美元投资水平,能玩的只剩英特尔、三星和台积电三家了。而很明显,这次它们步调一致地把钱投到EUV。


历史上的规律是在新的晶圆尺寸上开发新的制程技术,比如200mm厂大多还停留在90nm。但目前我们完全看不到300mm厂上技术研发停止的迹象。


(图:300mm和450mm晶圆)


目前在300mm上开发新一款7nm芯片的初始成本可能已经有3亿美元,那么在450mm上估计数字更恐怖。


目前市场上PC已经饱和,手机也接近饱和,新的应用如IOT等还相对较弱。在整个半导体业不景气时,巨额投资月产几万片450mm的晶圆厂,如何消化产能也是个很现实的问题。


也许,真的要等到摩尔定律走到物理极限和遍地都是机器人的时代,我们才有机会重新看到450mm的启动。


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