談談沒量產(chǎn)的18吋晶圓

來源：半導體行業(yè)觀察

英特爾和三星都擁有比臺積電更多的工程師，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)上的投資比臺積電要多。所以，進軍450mm根本不會幫助臺積電，反而會占用臺積電太多的研發(fā)人員，削弱其在其他領域追求技術進步的能力，實際上會對公司造成潛在的傷害?！?/span>
整體而言，業(yè)界對450mm晶圓進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，其中最為關鍵的半導體設備供應商，包括如應用材料、ASML等也缺乏積極性，理由是450mm設備不是簡單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對于設備進行重新設計，因此面臨著經(jīng)費與人力等問題，更多的擔心是未來的市場，能否有足夠的投資回報率。當時的ASML也正在EUV光刻機中掙扎，光源效率等問題一直拖后量產(chǎn)的時間表，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，成本并不會比300mm低。
所以，關于450mm晶圓的聲浪看似此起彼伏，但大多數(shù)產(chǎn)業(yè)鏈廠商實際上都是雷聲大雨點小。
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“海市蜃樓”，在業(yè)界放棄這個想法之前，已經(jīng)做了大量的開發(fā)工作，成本問題成為企業(yè)紛紛退出的關鍵因素。
晶圓代紀遷移的成本是巨大的。據(jù)推算，從150mm到200mm花了大約6 年，花費將近15億美金；而從200mm到300mm則花了近10年時間，投入了116 億美金，成本幾乎上漲了近8倍。而要進化到450mm，將耗費設備商們超過1000億美元的巨額研發(fā)成本。

同時，設備成本和時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)時間上要遠大于2倍時長。
SEMI曾預測每個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邁進的步伐。
然而資金問題并不是450mm項目面臨的唯一難題。450mm規(guī)格轉換的時間點，與節(jié)點制程與EUV光刻技術升級的時間點相互撞車則是另外一個不確定負面因素。
良率挑戰(zhàn)
且不說是否有合適的經(jīng)濟模型來模擬450mm的各種設備成本增加，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測的變量。

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)以百萬計的晶體管，被廣泛應用于集成電路的制造。
假設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發(fā)展的原因。
但實際中，晶圓尺寸越大，對微電子工藝、設備、材料的要求也就越高。因為約75%的硅晶片采用直拉法進行生產(chǎn)，在結晶過程中，直徑越大，可能由于旋轉速度不穩(wěn)定導致晶格結構缺陷的可能性越大。同時，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大直徑導致晶圓不良率增加成本的時候，選用更大尺寸的晶圓進行生產(chǎn)就變得不經(jīng)濟。
產(chǎn)業(yè)鏈配合力度
從行業(yè)規(guī)律來看，向更大晶圓尺寸進軍，給較小的市場玩家設置了進入壁壘。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。

因為450mm晶圓涉及到整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游的巨大變化，總投入是千億美元量級的，半導體業(yè)界再也沒有一家企業(yè)能夠獨家制訂標準和承擔風險。知乎博主“老狼”曾表示，如果投入一個450mm的FAB, 成本將超過100億美金，只有少數(shù)公司能承擔得起一座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需要半導體供應鏈的上下游合作，會牽涉到整個產(chǎn)業(yè)鏈的資源調配，研發(fā)以及一體化行動，幾乎所有工具都需要重新研發(fā)、投產(chǎn)和試運行。
類似地，設備市場也越來越集中，前10家供應商所占據(jù)的市場份額已經(jīng)從90年代的60%增長到了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，晶圓尺寸增大與利益相關者之間的垂直合作至關重要。
目前在18英寸晶圓產(chǎn)線發(fā)展上除了資金和技術的雙重壓力，導致晶圓廠向18英寸晶圓產(chǎn)線轉進速度急劇放緩的原因還在于設備廠商的意愿。
18英寸的工作與過去的晶圓尺寸轉換不同，在150mm時，英特爾是領導轉型并支付大量工作費用的公司，而在200mm時則是IBM。在300mm時，設備公司承擔了很多成本，他們需要很長時間才能收回投資。
而450mm的成本再次被推到設備公司身上，他們非常不愿意接受這種情況。2014年，英特爾因利用率低，42號晶圓廠閑置，因此將資源從18英寸撤下，臺積電也在18英寸上退讓，設備公司暫停開發(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)計劃包括450mm晶圓光刻系統(tǒng)和EUV光刻機系統(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在這一領域有明確的需求。當前，ASML試圖生產(chǎn)足夠的EUV系統(tǒng)并將High NA設備投入生產(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)線對晶圓傳送工具、單片加工設備、精密切割設備及CMP等設備提出了更高的精準度要求，要產(chǎn)生更大的成本。加工更大晶圓和更小的容差的設備變得更加昂貴。
隨著晶圓尺寸的增大，對于系統(tǒng)的集成、系統(tǒng)的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設備制造商提出更高的要求。
可以預見，芯片制造商和設備制造商需要共同努力實現(xiàn)技術進步，這樣才能應對先進的小型化和晶圓尺寸增長所帶來的更大難題。只有使得芯片制造商與設備制造商同時實現(xiàn)雙贏，才能持續(xù)推動半導體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設備制造商需要投資較之前比例更多的研發(fā)費用，才能實現(xiàn)450mm晶圓苛刻的工藝及技術要求。
寫在最后
對整個行業(yè)而言，450mm晶圓尺寸遷移是一個戰(zhàn)略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會受到供應鏈上多種行業(yè)的動態(tài)和交互影響。18英寸晶圓引進時程趨緩，主要因初期需要大規(guī)模投資，由于晶圓尺寸改變，相關設備必須配合變動，不僅需要建設新工廠，設備也需要更換，對晶圓制造廠和設備廠來說負擔不小。一旦計劃失敗恐導致較大影響，使得各家設備大廠頻踩煞車。
目前半導體行業(yè)大多轉向活用現(xiàn)有設備，朝微細化先進制程方向進行發(fā)展和演進。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。
鑒于當前經(jīng)濟和技術的種種形勢，轉向450mm晶圓的步伐很有可能會繼續(xù)延緩。一位來自某半導體廠商的高管稱，半導體業(yè)界絕不會減緩升級節(jié)點制程的速度，因為人們普遍認為，從節(jié)點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)界是否會將目光重新聚焦到450mm晶圓上來。

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