谈谈没量产的18吋晶圆-全讯新

陈光

多年来，半导体行业一直受到遵循摩尔定律的技术发展的推动。

在摩尔定律的推动下，生产成本不断下降，也带来了技术创新为了提高产品的生产效率和利润，晶圆尺寸的增大和芯片线宽的减小是ic产业技术进步的两条主线

一般来说，半导体行业每十年升级一次fab架构，以增加晶圆直径，而制程则保持每两年一个节点的速度伴随着纳米尺度接近物理极限，工艺节点的技术进步放缓，晶圆尺寸的增大变得越来越重要

晶圆尺寸越大，每个晶圆上可以制造的芯片就越多，制造成本就越低。

晶圆尺寸从早期的2英寸，4英寸发展到6英寸，8英寸，12英寸，大约每10年就会升级一次。

1991年行业开始投产200mm晶圆，2001年左右开始向300mm晶圆过渡，以此类推itrs和摩尔定律都认为，2010年之后，它将逐渐走向450毫米晶圆

当时，英特尔，三星，tsmc等行业巨头都表达了积极的态度，为2012年向450mm过渡做准备他们与制造设备和材料的制造商谈判供应设备和材料，同时开展标准化工作他们想象向450mm过渡，就像过去向300mm过渡一样，可以增加提供给用户的价值，使生产力翻倍

200mm晶圆迁移到300mm晶圆，一度导致单位晶体管成本突破摩尔定律，产生跳跃式增长这也很好理解，晶圆越大，可以切割的管芯就越多，从而大大降低了单个晶体管的价格据统计，晶圆尺寸每增加一次，生产的管芯数量至少增加一倍

可是，所有的理想优势和计划终究没能落地资料显示，新一代晶圆将在当前一代晶圆成为主流时启动，支撑约40%的总产能

可是，目前全球70%以上的芯片产能都是12英寸晶圆距离第一条12英寸晶圆厂生产线已经过去了将近20年，但我们还没有看到下一代18英寸晶圆厂

那么，18寸计划究竟为什么会胎死腹中。

01

18英寸晶圆往事

种子

早在2004年，时任美国应用材料公司董事总经理的iddo hadar在芯片联盟国际sematech主办的全球经济研讨会上发言称，半导体行业正在向450mm晶圆迈进，450mm晶圆厂将在2011—2015年出现。

2007年，ismi强调，在摩尔定律的指导下，未来生产成本需要降低30%，产品生产周期需要提高50%，而这一需求只有过渡到450mm晶圆尺寸才能实现。

在业界的一致尊重和引导下，2008年，英特尔宣布与三星和tsmc达成合作协议，将于2012年投产450mm芯片晶圆，预计将首先用于切割22nm工艺处理器。

英特尔认为，从300毫米晶圆到450毫米晶圆的迁移将使每个晶圆的芯片数量增加一倍以上英特尔，三星和tsmc计划与整个半导体行业合作，以确保所有必要的组件，基础设施和生产能力能够在2012年开发和测试，并投入试生产

这一蓝图在2009年和2010年被写入itrs，但2012年的itrs再次被修改，原计划目标全部推迟2年根据2012年itrs计划，450mm晶圆尺寸的材料和设备制造商应在2013—2014年形成生产能力，并向idm和foundry提供相应的设备

在2011年的semicon west大会上，过去一直不喜欢450mm规格转换的半导体设备厂商，在各方的劝说下，已经逐渐改变了对它的态度，做出了一些实质性的改变例如，应用材料公司表示其在450毫米项目上的投资将超过1亿美元，测量工具制造商kla·坦科尔公司推出了surfscan，适用于450mm晶圆的检测工具也有望暂时解决制造40 mm晶圆所用光刻设备的兼容性问题，光刻厂商会推出一些临时7003全讯入口的解决方案来处理光刻机和450mm晶圆的兼容性问题

也是在这一年，新上任的纽约州州长安德鲁·科莫力促大展宏图，邀请五大芯片巨头在纽约研发下一代芯片技术大家纷纷表示要投资44亿美元推广450mm，也就是全球450联盟，在美国纽约奥尔巴尼设立450mm晶圆技术研发中心

450mm联盟成立后，针对18英寸晶圆代的技术和设备制定了很多政策，这是半导体行业进入18英寸晶圆代的重要里程碑这个联盟的关键基础是纽约州立大学理工学院的实力，ibm微电子大本营在该州多年的努力，以及纽约州承诺的政府补贴在此期间，科莫还与尼康联合投资3.5亿美元，用于450毫米浸没式光刻机

其实除了g450c联盟，更早的时候欧盟也有eemi450合作计划，以色列也有metro450，一共三个联盟推进450mm晶圆的进度，目标是互通研究成果，减少重复实验。

此外，半导体制造技术战略联盟和国际半导体行业协会也在推动全球产业链的合作研发，期待晶圆直径的增加影响整个产业链带来的变化。

下降

可是，所有的计划都未能使450毫米晶圆获得成功从2014年开始，g450c联盟就有暂停450mm晶圆研发的迹象

实际上，英特尔是最积极推广450mm的公司可惜g450c恰好是英特尔搞14nm broadwell的时候被用到了极限的duv光刻机和复杂的finfet，让英特尔当时的良品率非常低，路线图迟迟没有出来，也没有心情关注450mm晶圆

英特尔在2014年的撤退被认为是450mm晶圆消亡的关键时刻。

无意做硬件的ibm把半导体部门卖给了辛格，但辛格没有足够的钱搞一个450mm那么大的项目，最后白白损失了大量前期投资。

针对这种情况，semi和ismi在2014年成立了epwg设备生产力工作组，研究450mm晶圆转产问题，明确的结论是这不是合适的时机。

在2014年英特尔退出两年后，tsmc也悄然退出了g450c联盟。

多年后，在回顾tsmc放弃450mm晶圆的原因时，tsmc前首席运营官蒋尚义在接受采访时表示:当时，英特尔是改用450mm晶圆的主要推动者，因为它认为这是另一种获得市场优势的方式18寸会排挤行业小玩家，巩固巨头地位

tsmc不推广450mm晶圆技术的原因是，tsmc在300mm晶圆上成功击败了许多较小的竞争对手，确立了领先地位但如果达到450mm，将直接与英特尔和三星竞争

英特尔和三星都比tsmc拥有更多的工程师，有更多的收入可以使用，这将有助于两家公司在450毫米生产上的投资超过tsmc所以进入450mm对tsmc没有任何帮助，反而会占用tsmc过多的r&d人员，削弱其在其他领域追求技术进步的能力，实际上会对公司造成潜在的伤害

整体来说，业界从一开始就对450mm晶圆工艺有不同的看法除了上述厂商的犹豫和无暇分心，最关键的半导体设备供应商，如应用材料和asml，也缺乏热情原因是450mm设备不是简单的扩大腔体直径，而是从根本上重新设计设备，所以面临着资金，人力等问题更担心的是未来市场是否有足够的投资回报

当时，asml正在euv光刻机中苦苦挣扎，光源效率等问题推迟了量产的时间表资金压力使得asml率先宣布退出450mm合作虽然有尼康的光刻机支持，但如果450mm的整体良率和效率不能有明显提升，成本也不会低于300mm

所以450mm晶圆的声音看似此起彼伏，其实大部分产业链厂商都是雷声大雨点小。

如今工艺流程已经发展到3nm，但是仍然没有450mm晶圆，甚至没有行业厂商在450mm晶圆上的计划。

总结起来，原因无非是成本，良率，配套产业链上的短板。

02

18英寸晶圆的主要挑战是什么。

巨大的成本

对于一个商人来说，没有利润往往为时过早既然450mm可以降低模具成本，为什么不积极安排呢

18英寸晶圆已被证明是海市蜃楼在业界放弃这个想法之前，已经做了大量的开发工作，成本问题成为企业纷纷退出的关键因素

代际迁移的成本是巨大的根据计算，从150mm到200mm大约用了6年时间，花费了近15亿美元从200mm到300mm，用了近10年，投资116亿美元，成本增加了近8倍要进化到450毫米，设备制造商将花费超过1000亿美元的研发成本

同时，设备成本和时间成本减缓了晶片尺寸向18英寸发展的步伐虽然450mm晶圆的面积是300mm的两倍多，但是生产时间却比2倍长很多

semi曾预测每座450毫米晶圆厂将耗资100亿美元，但单位面积的芯片成本仅下降了8%巨大的资金压力，以及产量和效率的微不足道的提高，使得行业放慢了向450毫米迈进的步伐

可是，资金问题并不是450毫米项目面临的唯一问题另一个不确定的负面因素是450mm规格转换的时间点与节点工艺和euv光刻技术升级的时间点的冲突

产量挑战

且不说是否有合适的经济模型来模拟450mm设备的成本增加，以及各种生产效率和利用率，每一步的成品率都是极不可预测的变量。

原则上，晶片是由硅锭制成的通过特殊工艺可以在硅片上刻蚀出数百万个晶体管，这种工艺广泛应用于集成电路的制造

假设晶圆本身的工艺精细，同样芯片的良率稳定，那么晶圆直径越大，晶圆的利用率越高，可以生产的芯片就越多，每个芯片的成本就越低这也是晶圆厂向更大直径晶圆制造技术发展的原因

但实际上，晶圆尺寸越大，对微电子技术，设备和材料的要求就越高因为约75%的硅片是用直拉法生产的，在晶化过程中，直径越大，由于转速不稳定导致晶格结构缺陷的可能性越大

同时，晶圆直径越大，重量越重，边缘越容易翘曲因此，晶片越大，成品率越低，晶片的单位面积成本越高

因此，当通过增加晶圆尺寸降低的成本无法弥补大直径导致的晶圆不良率带来的成本增加时，选择更大尺寸的晶圆进行生产就变得不经济。

产业链合作

从行业规则的角度来看，向更大的晶圆尺寸进军为较小的市场参与者设置了进入壁垒从芯片厂商来看，拥有150mm晶圆厂的约有130家，拥有200mm晶圆厂的不到90家，拥有300mm晶圆厂的只有24家

因为450mm晶圆涉及到整个产业链上下游的巨大变化，总投资在数千亿美元的量级，半导体行业没有一家企业可以独占制定标准，承担风险知乎博主老狼曾表示，如果投资一个450mm的晶圆厂，成本将超过100亿美元，而只有少数公司买得起450mm的工厂，这将带来更大的两极分化

一般来说，迁移到新的晶圆级平台需要半导体供应链上下游的合作，这将涉及到整个产业链的资源配置，r&d和整合几乎所有的工具都需要重新开发，投产和试运行

同样，设备市场越来越集中，前10大供应商的市场份额从20世纪90年代的60%增加到2000年代的75%以上为了保持芯片成本的下降和产业的持续增长，增加晶圆尺寸和利益相关者之间的垂直合作是必不可少的

目前18寸晶圆生产线发展除了资金和技术的双重压力，晶圆厂向18寸晶圆生产线转移速度大幅放缓的原因在于设备厂商的意愿。

18寸的作品不同于以往的晶圆尺寸换算在150mm时，英特尔是领导转型并支付大量工作费用的公司，而在200mm时，它是ibm300mm，设备公司承担了很多成本，他们需要很长时间才能收回投资

而450mm的费用又推给了设备公司，他们非常不愿意接受这种情况2014年，由于intel利用率低，晶圆42闲置，所以从18寸移走了资源tsmc也放弃了18英寸，设备公司暂停了它的开发工作，因此18英寸晶圆死亡

在过去的阴影下，复兴十八寸路并不容易。

起初，asml的r&d计划包括450毫米晶圆光刻系统和euv光刻机系统在发现450mm晶圆之路受阻后，asml于2013年11月决定暂停450mm光刻系统的开发，直到看到该领域客户和市场的明确需求

目前，asml正在努力生产足够的euv系统，并将高na设备投入生产12英寸高的na euv系统已经很庞大了——很难运输，制造一个更大的18英寸版本将是一个前所未有的工程挑战

此外，为了保持更大晶圆的均匀性，生产率和良率，18英寸生产线对晶圆传送工具，单片加工设备，精密切割设备和cmp设备提出了更高的精度要求，这将导致更高的成本用于处理较大晶片和较小公差的设备变得更加昂贵

伴随着晶圆尺寸的增大，对设备制造商的系统集成，系统自动化，材料的特殊要求和整体功耗提出了更高的要求。

可以预见，芯片制造商和设备制造商需要共同努力实现技术进步，以应对先进的小型化和晶圆尺寸增长带来的更大挑战只有让芯片厂商和设备厂商同时实现共赢，才能持续推动半导体行业的健康发展同样，设备制造商需要投入比以前更多的r&d费用，才能达到450mm晶圆苛刻的工艺和技术要求

03

写在最后

对于整个行业来说，450mm晶圆尺寸迁移是一个战略决策可是，晶圆尺寸迁移的有效性将受到供应链中各种行业的动态和相互作用的影响

18英寸晶圆的引进进度正在放缓，主要是因为初期的大规模投资伴随着晶圆尺寸的变化，相关设备也必须随之改变，不仅需要新建工厂，还需要更换设备，这对晶圆厂商和设备厂来说都是一个沉重的负担一旦计划失败，可能会造成很大的影响，导致各个设备厂商频繁刹车

目前，半导体行业大部分已经转向利用现有设备，并朝着小型化和先进制造工艺的方向发展和演变我们的希望现在越来越渺茫目前450mm晶圆离我们很远，但更模糊

鉴于当前的经济和技术形势，转向450毫米晶圆的步伐可能会继续推迟一位来自半导体厂商的高管表示，半导体行业永远不会放慢升级节点工艺的速度，因为人们普遍认为，减少节点工艺所获得的收益比使用更大晶圆所获得的成本收益更重要

但是事情总是要发展的现在先进工艺达到3nm甚至2nm后，摩尔定律逐渐失速我想知道行业是否会重新关注450毫米晶圆

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