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我们需要18吋晶圆吗?

2019-11-03
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编者按:


过去几年里,关于18英吋晶圆的讨论,虽然没有以前那么热,但依然有人对硅晶圆尺寸的未来有不同的想法。下面我们从经济收益的角度来谈一下,我们需要18吋晶圆吗?


半导体行业一直以来都是一个最资本密集和复杂的行业,在摩尔定律的推动下,生产成本不断下降,也带来了技术革新。实际上,技术进步和多样化的应用扩展是维持行业增长和技术演进的两大轴心,如图 1 所示。尽管如此,随着成本下降和技术进步的速度放缓,摩尔定律仍然顶着成本持续下降进而降低平均销售价格的压力。尽管大多数已有工作都集中在 450mm 晶圆尺寸迁移[的技术问题上,但也有一些为了决策合理而进行的小型经济分析研究,这些研究能在 450mm 迁移的合适时机上给出一些看法。本研究的目的是提供一个初步的经济分析,以澄清一些捕风捉影的说法并促进设备供应商、客户和芯片制造商等利益相关者之间为进一步合作进行有效讨论。

图 1:半导体行业的演进


晶圆尺寸迁移的影响


遵循摩尔定律的半导体行业已经实现了无与伦比的增长,在相等或更低成本的基础上带来更强大的计算能力。为了维持所需的成本 CADR(复合平均减少率),既有通过技术进步的小型化之路,也有增大晶圆尺寸的做法。一直以来,半导体行业每十年就会为新的晶圆厂架构让晶圆直径增大一级,而同时技术进步则是每两年一个节点。随着纳米尺度逼近物理极限,技术进步已经放缓,所以晶圆尺寸增长就变得更加重要了。


新的晶圆尺寸平台允许设备供应商和 IC 制造商采用先进的工艺技术和工具设计,以提高生产率(例如 300mm 的单晶圆工艺)。事实上,从 150mm 到 200mm 只花了大约 6 年时间,而从 200mm 到 300mm 则用去了近 10 年时间。如图 2 所示,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。因此,现在研发 450mm 晶圆平台并不是太早。

图 2:半导体行业所采用的晶圆尺寸


但是,对更大晶圆尺寸的资本投入正在大幅增长,这为更弱小的玩家设置了进入壁垒。从 IC 制造商方面看,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。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。尽管为了维持成本下降和行业增长,晶圆尺寸增大是不可避免的,但利益相关者之间的垂直合作也是至关重要的。

流言与澄清


在进一步讨论 450mm 之前,有一些流言需要澄清。


流言 1:从 200mm 迁移到 300mm 立马就能降低 30% 的成本。


澄清:增大晶圆尺寸平台也让设备供应商和 IC 制造商可以整合先进的工艺技术和工具设计,以提升生产率,从而实现成本下降。尽管客户期望有这样的减少 ASP 的好处,但领先的半导体晶圆厂也需要大约两年的时间才能实现成本效益。同时,设备供应商还在不断投入以提高工具性能,同时也面临着同样的价格下降压力。尽管如此,在过去几年中,用相对较低的价格提供足够的能力一直都在为行业增长做贡献。


流言 2:300mm 的研发投入很难赚回来。此外,更大的晶圆尺寸将减少总体资本投入并导致设备市场收缩。


澄清:据 VLSI 的研究,设备行业在 300mm 平台开发上投入了 116 亿美元,几乎是开发 200mm 平台的 9 倍。根据图 3 给出的设备市场收入和平均利润,可以估算得出行业整体在 2007 年就能赚回研发成本。由于这样的迁移会产生进入壁垒,将弱小玩家拒之门外,所以领先的设备供应商的业绩会远远优于行业平均水平。实际上,更大的晶圆尺寸会减少工具需求的观点基于错误的饱和产能需求假设,这个观点在 300mm 迁移之前也有人提过。实际上,这个行业的增长推动力是技术进步和晶圆尺寸增大所带来的新应用和成本降低,而这又给 IC 制造商和设备供应商带来了更多需求。

图 3:主要设备供应商的业绩表现


流言 3:行业应该最大化技术进步速度,专注 300mm,推迟或永远不要实现 450mm。


澄清:由于纳米技术的物理极限和技术进步放缓,为了降低成本,增大晶圆尺寸是不可避免的替代选择。如图 4 所示,新的晶圆厂架构通常支持大约 4 个技术节点。尽管 300mm 晶圆是为了维持短期内的成本下降而提出的一种妥协方案,但推迟决策很可能将让损失更大。事实上,对已有的技术和平台而言,持续提升生产率是确定无疑的,尽管在新的晶圆厂架构中实施新的生产观念和工具要更有成本效益。因为 450mm 迁移对维持成本下降而言是不可避免的,所以推迟 450mm 迁移决策可能会导致之后投资 450mm 迁移时更难收回成本。因此,及时为未来的 450mm 生产制造部署新的晶圆厂架构是会有成本效益的,这能让 450mm 平台上有足够多的技术节点,从而推动市场增长,让领先的 IC 制造商和设备供应商都能收回研发投入。

图 4:不同晶圆尺寸的晶圆厂的技术节点


经济分析


迁移到新的晶圆尺寸平台需要供应链的上下游合作——从上游的设备、硅晶圆、晶圆载体和工厂自动化供应商到下游的芯片制造上、测试厂和 IC 设计公司。我们使用了 Michael Porter 的五力模型作为分析框架。


工具成本占整个晶圆制造成本的 70%。比如晶圆传送过程等工具内部的时间开销可以分摊到每片晶圆更大的面积上,这样整体的工具生产率就比前一代更高了。


首先,外部威胁将得到缓解。因为 450mm 很高的晶圆厂资本需求和这个知识密集型行业的学习曲线优势将会成为供应商和制造商的进入壁垒,让新入场者望而却步。通过 450mm 晶圆迁移在制造效率和成本优势上给行业带来的持续提升,长期来看替代基于硅的 IC 制造的价格也将增长。


此外,因为现有 IC 市场的竞争者多样化更小、行业增长放缓和由于市场波动导致的间歇性产能过剩,市场竞争现在正变得非常激烈。对于纯粹的代工厂而言,市场结构已经在过去 10 年中从垄断型市场变成了竞争型市场。引入 450mm 这一代晶圆将会增加转换成本,同时又能创造另一个差异化因素,从而帮助行业更好地划分领地,缓解行业的竞争强度。


在横向的“供应商-制造商-买家”产业链上,它们是紧密关联的实体,共享共同的行业环境。大多数消费者都对价格敏感。终端市场的价格压力将会向上传递给制造商和供应商。反过来,无效的生产过程和高成本又会向下传递给买家和终端市场。450mm 完全可以改善产业链的成本状况。


更大的晶圆可以提升晶圆面积使用率,尤其是因为 die 的尺寸变大了。可以使用 OWE 指数来比较 300mm 和 450mm 晶圆上曝光的器件的总体有效性。设计的实验收集了 300mm 晶圆厂的实际数据。特别需要指出,考虑了真实配置中晶圆曝光的相同的光刻要求,在 300mm 和 450mm 晶圆上曝光了不同大小的 die,这个过程使用了所提出的优化算法来生成 gross die 的最大数量,由此得到了对应的 OWE,如图 4 所示。比较在 300mm 和 450mm 晶圆上曝光的 OWE,可以看到当 die 尺寸随着器件越来越复杂而越来越大时,在 450mm 晶圆上曝光某个 die 的 OWE 显著优于在 300mm 晶圆上曝光同样的 die。


除了晶圆空间增大了 2.25 倍,OWE 还能在越来越复杂的器件的变化的 die 尺寸方面更好地描述晶圆尺寸增大的好处。此外,由于节点缩小所带来的晶圆生产率增益将会有所衰减,因为 SoC 的 I/O 和模拟部分等一些图案宽度不能随技术进步而有效缩小。


图 4:300mm 和 450mm 之间的 OWE 比较


由于复杂的光刻要求,在先进纳米技术上的掩模成本将会显著上涨,这会影响到 IC 设计师和整个半导体生态。随着晶圆尺寸增大,IC 设计可以停留在更老的技术节点上,这样仅需更少的资本投入就能维持成本下降。


因为 IC 市场竞争日趋激烈,成本可能就成了现实中维持或创造新市场的最后手段。因此,这种成本压力通常会向上传递给供应商,从而吃掉它们的利润。供应商可以采用三种策略:差异化、成本领先和关注重点。450mm 晶圆能让供应商与竞争者不同,还能带来成本上的领先。差异化的实现方式有:独特的技术能力、系统集成或早期与主要玩家一起参与新规范和标准。尽管你可能需要支付早期的研发成本,但 450mm 晶圆厂设备不仅可以整合新的工具设计概念实现(比如单晶圆工艺和普通大型机),而且还能整合高度自动化和工艺集成。通过供应商-制造商共同体的密切合作与协作,可以确保迁移的有效和成功,从而为它们带来未来的市场增长和公司成功。不同于 300mm,用这种共同体运作的方式开发 450mm 工具会更有经济价值。


从之前的 300mm 迁移经验看,要让整个设备行业都进入 450mm 阶段,至少需要投入 250 亿美元研发资金。这个估计结果的因素包括平均年度开支是 300mm 一代的 3 倍以及 450mm 有 5 年的开发时长,直到大约 2012 年。根据这些预测,假设平均利润率为 8%(只有 450mm 开始前 5 年的一半),设备行业可能会在 9 年内收回 450mm 的研发投入。因此,花在 450mm 上的研发投入是可以收回的。总而言之,450mm 不仅能降低成本,还能催生新的制造平台。

根据 IEM 给出的行业成本趋势


为了了解每个晶体管的成本,从而了解行业生产力,我们使用了 IEM 来执行分析,如图 5 所示。在 IEM v10.1中对两种情况进行了研究。


图 5:IEM 的概念框架


基准条件是始于 2012 年的 65nm 和 450mm 之后的三年技术世代间隔。从 1993 年到 2000 年,每个晶体管成本的 CADR 是 29%,从 1993 年到 2018 年是 27.36%。为什么后面 CADR 更低了?这可能是由行业增长放缓和市场成熟导致的。根据基准,我们进行了两次模拟,结果如下:


  • 如果技术世代间隔从 3 年延展到 4 年,CADR 就会增长 0.26%。
  • 与基准相比,如果没有 450mm,CADR 会下降 0.34%;如果 450mm 在 2014 年出现,CADR 会下降 0.21%。


总而言之,450mm 一代对整体行业成本下降而言是积极的,而且可以有效地补偿由于技术发展减速所导致的成本增长。

战略活动系统


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。这个战略活动系统可能会被用于描述实现该目标的复杂因素和相关活动。


在多元化新半导体应用方面有有价值的买家,也有采购买家追求低成本的解决方案。商品化的市场和更短的产品生命周期让 ASP 和收入增长在成熟的半导体行业更慢。高混合和低产量的需求在消费产品和价值产品上都越来越普遍。在行业内部,已有的竞争和新进入公司的威胁都不会停息。更大的晶圆尺寸和技术迁移都可以让公司生存下去并获得成功。更大的晶圆尺寸需要研发投入和供应商的合作,而技术则需要开发成本和买家/客户的合作。最终的目标是通过缩减 die 大小或提升 OWE 让 die 或芯片更加便宜。

关键的成功因素


要成功实现 450mm 迁移,需要考虑两大关键因素:


硅晶圆


450mm 直径是 300mm 的 1.5 倍。450mm 的直径为 300mm 的 1.5 倍。所需的晶圆厚度不会增加太多。然而由于热和缺陷问题,晶体生长速度(每单位时间的量)可能是 300mm 晶圆的五分之一。一旦 IC 制造商需要承担的硅晶圆价格增长了 5倍,那么这样的晶圆制造成本就不经济了。目标价格应该低于 300mm 晶圆的 2.5 倍。


设备


IC 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。如果联合开发共同平台,而不是因为竞争而重复投资,那么就可以降低研发成本和投资。大家在这方面的演进上并不冲突,而且这既可能推动小型化的技术迁移,也可能随着新制造技术和设备推动晶圆尺寸增长。预计 450mm 迁移会有 300mm 一样的成本优势,而且学习周期更短。成本结构改变。后段工艺的成本占到了整体 IC 制造工艺成本的 20%。


晶圆尺寸的增长只会改善前段晶圆基板的制造成本,但芯片方面却没有改善。后段(测试和组装)供应商和制造商还应同步各自的成本降低效果,以改善整个行业,比如晶圆级封装技术。


本研究提供了对 450mm 迁移的初步经济分析,可为行业讨论提供一个基准,从而确保下一次晶圆尺寸演进能得到良好的规划和有效的协调。如果不能维持所需的成本下降,可能就会出现最终会影响整个半导体行业的颠覆式创新。


*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。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第2117期内容,欢迎关注。

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