「知識(shí)分享」芯片3nm制程會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)？

在半導(dǎo)體制造廠，要跟上摩爾定律不僅僅是一場(chǎng)經(jīng)濟(jì)斗爭(zhēng)。這也是一個(gè)過程控制技術(shù)的問題。

半導(dǎo)體工業(yè)的繁榮是基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念：使晶體管更小。從晶體管的發(fā)明到現(xiàn)在，這種方法就像一個(gè)無底洞，每一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)都會(huì)帶來更多的錢。

摩爾定律將半導(dǎo)體工業(yè)推向了這一步。圖片使用由下一個(gè)站臺(tái)

現(xiàn)在，隨著制造商接近3nm，制造業(yè)和經(jīng)濟(jì)壁壘使得這一方法更加復(fù)雜。AAC曾有機(jī)會(huì)與為半導(dǎo)體制造廠開發(fā)設(shè)備的應(yīng)用材料公司（Applied Materials）坐下來，聽取他們希望能為半導(dǎo)體行業(yè)注入活力的新工藝控制。

同時(shí)歷史上，隨著新節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)成本一直在增加，這些成本現(xiàn)在正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

據(jù)麥肯錫公司稱，在16nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)集成電路的總成本，包括架構(gòu)、驗(yàn)證和IP認(rèn)證，大約花費(fèi)1.04億美元。向前跳到5nm，我們已經(jīng)達(dá)到了2.97億美元。5億美元即將以3百萬美元的價(jià)格出現(xiàn)。

研發(fā)和制造新型集成電路節(jié)點(diǎn)的成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。圖片使用由麥肯錫咨詢公司

然而，在許多方面，唯一比將晶體管縮小到3nm節(jié)點(diǎn)更昂貴的事情是制造能夠?qū)嶋H生產(chǎn)這些晶體管的制造設(shè)備。麥肯錫的同一份報(bào)告告訴我們，在16nm節(jié)點(diǎn)建造和裝備一個(gè)晶圓廠的成本是13億美元。在5nm，我們已經(jīng)達(dá)到了54億美元，而在未來的3nm中可能會(huì)有100億美元。

這些設(shè)備的許多成本來自于對(duì)支持較小節(jié)點(diǎn)制造的新工具的需求；例如，雖然EUV工具現(xiàn)在對(duì)于較小的節(jié)點(diǎn)來說是至關(guān)重要的（也是昂貴的）必需品，但是對(duì)于大型節(jié)點(diǎn)來說，它們并不存在。

半導(dǎo)體工廠所面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)已經(jīng)變得如此巨大，以至于o只有大公司才有能力在這場(chǎng)游戲中占有一席之地 .

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造成本不斷增加的直接必然結(jié)果是效率變得比以往任何時(shí)候都重要。這樣想吧：因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)一家工廠每天要花費(fèi)數(shù)百萬美元，任何停工都是有害的. 由于這個(gè)原因，許多晶圓廠將價(jià)值數(shù)百萬美元的晶圓作為閑置庫存，因?yàn)樗麄儗幵赋袚?dān)這些成本，也不愿承擔(dān)與停工相關(guān)的成本。

工廠利用率與不同補(bǔ)貼水平的盈虧平衡時(shí)間。圖片使用由麥肯錫咨詢公司

麥肯錫和公司的報(bào)告顯示，如果沒有政府補(bǔ)貼，5納米級(jí)的晶圓廠將需要5年以上的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)投資盈虧平衡，即使其利用率為100%。當(dāng)利用率降低到50%時(shí)，即使是一個(gè)獲得高達(dá)20億美元補(bǔ)貼的晶圓廠也需要10年以上才能實(shí)現(xiàn)盈虧平衡。

這些陡峭的經(jīng)濟(jì)壁壘甚至抑制了企業(yè)參與其中的積極性，進(jìn)一步鞏固了一些富有的公司和國(guó)家的產(chǎn)業(yè)。

這些工廠一直在尋找提高速度和產(chǎn)量效率的方法。應(yīng)用材料公司旨在通過將人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用于晶圓檢驗(yàn)過程 .

在現(xiàn)代半導(dǎo)體設(shè)備中，缺陷檢測(cè)可能是一個(gè)昂貴的過程。使用的圖像由Applied Materials提供

他們的一個(gè)平臺(tái)光線，利用數(shù)據(jù)科學(xué)和光學(xué)來執(zhí)行更先進(jìn)的晶圓檢驗(yàn)。通過收集更多的產(chǎn)量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，該公司相信它可以將捕獲關(guān)鍵缺陷的成本降低三倍，并在同一過程中提高產(chǎn)量。

過程控制的另一個(gè)元素，SEMVision系統(tǒng)，是一種eBeam審查技術(shù)，它使用第三個(gè)元素來訓(xùn)練光線系統(tǒng)：ExtractAI。

ExtractAI系統(tǒng)使用人工智能將成品缺陷與高端掃描儀產(chǎn)生的一般噪音區(qū)分開來。事實(shí)上，該系統(tǒng)工作得非常好，以至于該公司報(bào)告說，在只檢查了0.001%的樣品后，就能夠識(shí)別出晶圓上所有潛在的缺陷。

光線、提取器和SEMVision這三個(gè)元素使用光學(xué)來捕捉更多的成品率數(shù)據(jù)，可快速地對(duì)晶圓缺陷進(jìn)行分類。

晶圓廠的主要任務(wù)是快速識(shí)別晶圓廠的缺陷。像那些由應(yīng)用材料公司推出的工具，似乎可以在降低成本的同時(shí)保證生產(chǎn)周期的準(zhǔn)時(shí)性。