[转帖]是什么阻止了在18寸(450mm)晶圆上生产芯片？

是什么阻止了在18寸(450mm)晶圆上生产芯片？

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投递人 itwriter 发布于 2019-10-16 14:32 评论(0) 有493人阅读 原文链接 [收藏] « »

　　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？

　　一、

　　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。

　　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。

　　二、

　　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%。

　　三、

　　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。

　　四、

　　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。

　　五、

　　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。

300mm 和 450mm 晶圆

　　六、

　　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。