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是什么阻止了在18寸（450mm）晶圓上生產(chǎn)芯片？

 板橋胡同37號 2019-10-18
目前世界上芯片的產(chǎn)能超過70%是12寸(300mm)晶圓，而第一條12寸Fab線迄今已近二十年，為什么我們還看不到下一代18寸(450mm)晶圓廠呢？
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首先，我們先看看為什么下一代非得是18寸，而不是14寸或者16寸呢？這是個有趣的問題。
在90年代，仍認為自己執(zhí)半導體牛耳的日本人，曾組織了一個超級硅晶研究所，試圖直接從200mm晶圓提升到400mm。
日本人成功拉出了一米多長的400mm晶棒，認為技術(shù)上可以實現(xiàn)450mm，但需要一口大鍋，但還真沒這么大的鍋。
拉晶爐底下是個石英鍋(坩堝)，用來融化多晶硅碎塊。做一口純凈無比的二氧化硅大鍋，卻是個高超的技術(shù)活。
同時，為了拉450mm的晶棒，鍋里大概要放一噸的硅塊，比煮300mm的湯重一倍，而且提拉的也會多用十幾小時。
如何讓這一大鍋像熔巖一樣的硅漿糊一直控制在穩(wěn)定的溫度下，硅棒提拉和旋轉(zhuǎn)速度也都極其穩(wěn)定，成為比300mm更大的挑戰(zhàn)。
（視頻：Cz Method生產(chǎn)硅晶棒）
后來，還不斷有各種用小鍋不停加料的方法被設計出來。
雖然都不容易，但半導體屆對這點困難表示不屑一顧。
因為 200mm x 1.5=300mm
所以 300mm x 1.5=450mm
就這樣。
02
歷史上更大的硅片都使得單位面積芯片成本顯著降低，不過究竟是怎么降低的，卻是個復雜的問題。
芯片生產(chǎn)流程中，設備成本和時間成本是兩大核心要素。
450mm晶圓的面積是300mm的2倍多，那么生產(chǎn)效率也可以是兩倍嗎？
很遺憾，并不是這樣算。
更大的晶圓并不能節(jié)省光刻和測試等工藝的時間，只能節(jié)省晶圓裝載、蝕刻、各種清潔打磨等時間。
那么增加的設備成本能否真的轉(zhuǎn)換為更高的生產(chǎn)效率呢？
答案是：不知道。
300mm晶圓廠制造成本中光刻據(jù)說已經(jīng)占了一半，這個比例遠高于200mm廠。
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%。
03
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)界再也沒有一家牛到能夠獨家制訂標準和承擔風險。
這時還是需要產(chǎn)學研加上政府引導。
2011年新上任的紐約州州長Andrew Cuomo力主搞了個大政績。
Cuomo成功邀到芯片五強(IBM、英特爾、格芯、臺積電和三星)在紐約州大幅度研發(fā)下一代芯片技術(shù)，大家表態(tài)投資44億美金推進450mm，這就是全球450聯(lián)盟(G450C)。
這個聯(lián)盟的關(guān)鍵基礎是紐約州立大學理工學院(SUNY Poly)的實力和IBM微電子大本營多年在該州的耕耘，還有紐約州承諾的政府補貼。
Cuomo還拉著尼康共同出資3.5億美元搞出450mm浸入式光刻機。
歐盟在更早時間搞過一個EEMI450的合作計劃，以色列也搞過一個Metro450。
然而所有的合作都沒有使450mm成功。
04
無心硬件的IBM把半導體部賣給了格芯，但格芯并沒有足夠的錢去搞450mm這么大的工程，最后白白損失了一大筆之前的投入。
缺錢也許是后來格芯放棄7nm研發(fā)的一個原因吧。IBM一直是SOI技術(shù)的倡導者，格芯算是繼承了遺志。
英特爾其實是最積極推進450mm的公司。但事不湊巧，G450C期間(2011-2016)剛好是英特爾搞14nm Broadwell的時間。
被用到極限的DUV光刻機和復雜的FinFET使得英特爾當時良率非常低，路線圖各種延誤。解決不了技術(shù)問題，分心去上450mm晶圓意義也不大。
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。
從過程看，三星和臺積電似乎是最不積極的。當時它們還在搞20nm，做450mm大哥的代價估計它們都很清楚。
當初300mm晶圓廠上馬的時候，大概有七、八家芯片巨頭步調(diào)一致，這使得風險均攤了。
05
SUNY Poly的CEO在2016年因丑聞下臺，英特爾又一直陷在10nm的泥潭里，沒有公司再愿意牽頭，G450C聯(lián)盟徹底瓦解。
Cuomo州長倒是一直連任到今天，看來會搞經(jīng)濟的領(lǐng)導在哪里都受歡迎。
錯過了唯一一次時機，不再有領(lǐng)頭羊公司搞450mm晶圓，450mm的經(jīng)濟性是否存在變成了無法知道的謎。
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。
根據(jù)450mm晶圓廠的上百億美元投資水平，能玩的只剩英特爾、三星和臺積電三家了。而很明顯，這次它們步調(diào)一致地把錢投到EUV。
歷史上的規(guī)律是在新的晶圓尺寸上開發(fā)新的制程技術(shù)，比如200mm廠大多還停留在90nm。但目前我們完全看不到300mm廠上技術(shù)研發(fā)停止的跡象。
（圖：300mm和450mm晶圓）
06
目前在300mm上開發(fā)新一款7nm芯片的初始成本可能已經(jīng)有3億美元，那么在450mm上估計數(shù)字更恐怖。
目前市場上PC已經(jīng)飽和，手機也接近飽和，新的應用如IOT等還相對較弱。在整個半導體業(yè)不景氣時，巨額投資月產(chǎn)幾萬片450mm的晶圓廠，如何消化產(chǎn)能也是個很現(xiàn)實的問題。
也許，真的要等到摩爾定律走到物理極限和遍地都是機器人的時代，我們才有機會重新看到450mm的啟動。

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