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18寸(450mm)晶圆上生产难度在哪儿

2019-10-28 来源：金捷幡

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？

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。

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%。

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。

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。

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。

（图：300mm和450mm晶圆）

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。

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晶圆 450mm

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