互联网资讯 / 手机数码 · 2024年2月14日

18吋晶圆未量产的探讨

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。

谈谈没量产的18吋晶圆

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。

谈谈没量产的18吋晶圆

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。

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。

谈谈没量产的18吋晶圆

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。

谈谈没量产的18吋晶圆

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。

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。

谈谈没量产的18吋晶圆

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

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