過(guò)去多年里，我們討論了有關(guān)18英寸晶圓的一些東西。
這種直徑為450mm 晶圓的面積是 300mm 晶圓的 2.25 倍。如果您建造 450mm 晶圓廠，如果使其 wpm 輸出與 300mm 晶圓廠相同，則您需要的晶圓廠數(shù)量減少大約 2.25 倍（由于較低的邊緣芯片損失甚至更少），25 個(gè)內(nèi)存晶圓廠變成 11 個(gè)內(nèi)存晶圓廠，100 個(gè)邏輯或其他晶圓廠變成 44 個(gè)晶圓廠。這些是要建造的更易于管理的晶圓廠數(shù)量。
如果您查看運(yùn)行晶圓廠所需的人員，所需的人數(shù)主要取決于晶圓的數(shù)量，通過(guò)運(yùn)行更少的大晶圓，所需的人數(shù)會(huì)減少。
當(dāng) 450 毫米正在積極工作時(shí)，目標(biāo)是相同的晶圓產(chǎn)量（可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)）、相同的化學(xué)品和氣體以及每個(gè)晶圓的公用事業(yè)使用量相同的工具占地面積，單位面積的使用量減少 2.25 倍。人們認(rèn)識(shí)到，諸如曝光、注入和一些掃描晶圓表面的計(jì)量工具之類的光束工具的吞吐量會(huì)較低，但即使考慮到這一點(diǎn)，我的模擬也預(yù)計(jì)每片 450 毫米芯片的凈成本將降低 20% 到 25%。
不幸的是，開(kāi)發(fā) 450mm 的努力已經(jīng)結(jié)束，唯一的 450mm 晶圓廠已經(jīng)退役。450 毫米的工作與過(guò)去的晶圓尺寸轉(zhuǎn)換不同，在 150 毫米時(shí)，英特爾是領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型并支付大量工作費(fèi)用的公司，而在 200 毫米時(shí)則是 IBM。在 300mm 時(shí)，設(shè)備公司承擔(dān)了很多成本，他們需要很長(zhǎng)時(shí)間才能收回投資。
450mm 的成本再次被推到設(shè)備公司身上，他們非常不愿意接受這種情況。2014 年，英特爾（450mm 的主要驅(qū)動(dòng)力之一）利用率低，42 號(hào)晶圓廠空殼，他們將資源從 450mm 撤下，臺(tái)積電退讓，設(shè)備公司暫停開(kāi)發(fā)工作，450mm 死亡。
在這一點(diǎn)上，重振 450mm 可能為時(shí)已晚，ASML 只是試圖生產(chǎn)足夠的 EUV 系統(tǒng)并將High NA 設(shè)備投入生產(chǎn)。300mm 的High NA EUV 系統(tǒng)已經(jīng)非常龐大——難以運(yùn)輸系統(tǒng)，制造更大的 450mm 版本將是前所未有的工程挑戰(zhàn)。我確實(shí)認(rèn)為這對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)是重要的一課。
半導(dǎo)體公司長(zhǎng)期以來(lái)一直在短視地壓榨供應(yīng)商的價(jià)格，這往往對(duì)自己的長(zhǎng)期不利。起始晶圓就是一個(gè)很好的例子，價(jià)格已經(jīng)被壓低到晶圓制造商投資新產(chǎn)能不經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)在該行業(yè)面臨短缺。現(xiàn)在，只有短缺驅(qū)動(dòng)的價(jià)格上漲才能最終使新的投資變得經(jīng)濟(jì)。
在接下來(lái)的十年中，由于我們?cè)谂p少環(huán)境足跡的同時(shí)可能使我們的行業(yè)翻倍，使用 450 毫米晶圓我們的任務(wù)會(huì)容易得多，但不幸的是，我們無(wú)法合作并且不愿意放眼長(zhǎng)遠(yuǎn)。
半導(dǎo)體行業(yè)一直以來(lái)都是一個(gè)資本密集型的復(fù)雜行業(yè)，在摩爾定律的推動(dòng)下，生產(chǎn)成本不斷下降，也帶來(lái)了技術(shù)革新。實(shí)際上，技術(shù)進(jìn)步和多樣化的應(yīng)用擴(kuò)展是維持行業(yè)增長(zhǎng)和技術(shù)演進(jìn)的兩大軸心，如圖 1 所示。盡管如此，隨著成本下降和技術(shù)進(jìn)步的速度放緩，摩爾定律仍然頂著成本持續(xù)下降進(jìn)而降低平均銷售價(jià)格的壓力。盡管大多數(shù)已有工作都集中在 450mm 晶圓尺寸遷移的技術(shù)問(wèn)題上，但也有一些為了決策合理而進(jìn)行的小型經(jīng)濟(jì)分析研究，這些研究能在 450mm 遷移的合適時(shí)機(jī)上給出一些看法。本研究的目的是提供一個(gè)初步的經(jīng)濟(jì)分析，以澄清一些捕風(fēng)捉影的說(shuō)法并促進(jìn)設(shè)備供應(yīng)商、客戶和芯片制造商等利益相關(guān)者之間為進(jìn)一步合作進(jìn)行有效討論。
圖 1：半導(dǎo)體行業(yè)的演進(jìn)
遵循摩爾定律的半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)與倫比的增長(zhǎng)，在相等或更低成本的基礎(chǔ)上帶來(lái)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。為了維持所需的成本CADR（復(fù)合平均減少率），既有通過(guò)技術(shù)進(jìn)步的小型化之路，也有增大晶圓尺寸的做法。通常，半導(dǎo)體行業(yè)每十年升級(jí)fab架構(gòu)來(lái)增加晶圓直徑，而同時(shí)技術(shù)進(jìn)步則是每?jī)赡暌粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。隨著納米尺度逼近物理極限，技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)放緩，晶圓尺寸的增加變得越來(lái)越重要。
新的晶圓尺寸平臺(tái)允許設(shè)備供應(yīng)商和 IC 制造商采用先進(jìn)的工藝技術(shù)和工具設(shè)計(jì)，以提高生產(chǎn)率（例如 300mm 的單晶圓工藝）。事實(shí)上，從 150mm 到 200mm 只花了大約 6 年，而從 200mm 到 300mm 則花了近 10 年時(shí)間。如圖 2 所示，當(dāng)前一代晶圓變成主流，支持了大約 40% 的總產(chǎn)能時(shí)（從而可以維持健康的產(chǎn)能組合，成本足以支持不同的應(yīng)用），新一代晶圓就會(huì)開(kāi)始。因此，現(xiàn)在研發(fā) 450mm 晶圓平臺(tái)并不是太早。
圖 2：半導(dǎo)體行業(yè)所采用的晶圓尺寸
但是，對(duì)更大晶圓尺寸的資本投入正在大幅增長(zhǎng)，這為更弱小的玩家設(shè)置了進(jìn)入壁壘。從 IC 制造商方面看，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。類似地，設(shè)備市場(chǎng)也越來(lái)越集中，前 10 家供應(yīng)商所占據(jù)的市場(chǎng)份額已經(jīng)從 90 年代的 60% 增長(zhǎng)到了 2000 年代的 75% 以上。盡管為了維持成本下降和行業(yè)增長(zhǎng)，晶圓尺寸增大是不可避免的，但利益相關(guān)者之間的垂直合作也是至關(guān)重要的。
在進(jìn)一步討論 450mm 之前，有一些流言需要澄清。
流言 1：從 200mm 遷移到 300mm 立馬就能降低 30% 的成本。
澄清：
增大晶圓尺寸平臺(tái)也讓設(shè)備供應(yīng)商和IC 制造商可以整合先進(jìn)的工藝技術(shù)和工具設(shè)計(jì)，以提升生產(chǎn)率，從而降低成本。盡管客戶期望有這樣的減少 ASP 的好處，但實(shí)際上即使領(lǐng)先的晶圓廠也需要大約兩年才能實(shí)現(xiàn)成本效益。同時(shí)，設(shè)備供應(yīng)商也在降價(jià)壓力之下，不斷投入以提高工具性能。盡管如此，在過(guò)去幾年中，相對(duì)低價(jià)的充足產(chǎn)能，一直都在為行業(yè)增長(zhǎng)做貢獻(xiàn)。
流言 2：300mm 的研發(fā)投入很難賺回來(lái)。此外，更大的晶圓尺寸將減少總體資本投入并導(dǎo)致設(shè)備市場(chǎng)收縮。
澄清：
據(jù) VLSI research，設(shè)備行業(yè)在300mm 平臺(tái)開(kāi)發(fā)上投入了 116 億美元，幾乎是開(kāi)發(fā) 200mm 平臺(tái)的 9 倍。根據(jù)圖 3 給出的設(shè)備市場(chǎng)收入和平均利潤(rùn)，可以估算得出行業(yè)整體在 2007 年就能賺回研發(fā)成本。由于這樣的遷移會(huì)產(chǎn)生進(jìn)入壁壘，將弱小玩家拒之門外，所以領(lǐng)先的設(shè)備供應(yīng)商的業(yè)績(jī)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)平均水平。事實(shí)上，更大的晶圓尺寸將減少工具需求是基于在300mm遷移之前也提到的飽和產(chǎn)能需求的假設(shè)。這個(gè)行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是技術(shù)進(jìn)步和晶圓尺寸增加的多樣化新應(yīng)用和成本降低，而這又給 IC 制造商和設(shè)備供應(yīng)商帶來(lái)了更多需求。
圖 3：主要設(shè)備供應(yīng)商的業(yè)績(jī)表現(xiàn)
流言 3：行業(yè)應(yīng)該最大化技術(shù)進(jìn)步速度，專注 300mm，推遲或永遠(yuǎn)不要實(shí)現(xiàn) 450mm。
澄清：
面對(duì)納米技術(shù)的物理極限和技術(shù)進(jìn)步放緩，增加晶圓尺寸是降低成本的必然選擇。。如圖 4 所示，新的晶圓廠架構(gòu)通常支持大約 4 個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)。提出300毫米晶圓作為一個(gè)折中的解決方案，以在短期內(nèi)維持成本降低，延遲決定可能會(huì)造成更多的損失。 事實(shí)上，不斷提高生產(chǎn)率是現(xiàn)有技術(shù)和平臺(tái)的一個(gè)重要方面，而在新的晶圓架構(gòu)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)新的生產(chǎn)理念和工具更具成本效益。 由于450mm遷移對(duì)于維持成本降低是不可避免的，所以推遲450mm遷移的決定可能會(huì)導(dǎo)致以后更難以收回450mm遷移的投資。因此，及時(shí)為未來(lái)的 450mm 生產(chǎn)制造部署新的晶圓廠架構(gòu)是會(huì)有成本效益的，這能讓 450mm 平臺(tái)上有足夠多的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，從而推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)，讓領(lǐng)先的 IC 制造商和設(shè)備供應(yīng)商都能收回研發(fā)投入。
圖 4：不同晶圓尺寸的晶圓廠的技術(shù)節(jié)點(diǎn)
遷移到新的晶圓尺寸平臺(tái)需要供應(yīng)鏈的上下游合作——從上游的設(shè)備、硅晶圓、晶舟盒和工廠自動(dòng)化供應(yīng)商到下游的芯片制造商、測(cè)試廠和 IC 設(shè)計(jì)公司。我們使用了Michael Porter 的五力模型作為分析框架。
工具成本占整個(gè)晶圓制造成本的 70％。比如晶圓傳送過(guò)程等工具內(nèi)部的時(shí)間開(kāi)銷可以分?jǐn)偟矫科A更大的面積上，這樣整體的工具生產(chǎn)率就比前一代更高了。
首先，外部威脅將得到緩解。因?yàn)?450mm晶圓廠的高資本需求和這個(gè)知識(shí)密集型行業(yè)的學(xué)習(xí)曲線優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為供應(yīng)商和制造商的進(jìn)入壁壘，讓新入場(chǎng)者望而卻步。通過(guò)450mm 晶圓遷移在制造效率和成本優(yōu)勢(shì)上給行業(yè)帶來(lái)的持續(xù)提升，長(zhǎng)期來(lái)看替代硅基IC 制造的價(jià)格也將增長(zhǎng)。
此外，因?yàn)楝F(xiàn)有 IC 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)者多樣化更小、行業(yè)增長(zhǎng)放緩和由于市場(chǎng)波動(dòng)導(dǎo)致的間歇性產(chǎn)能過(guò)剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)在正變得非常激烈。對(duì)于純粹的代工廠而言，市場(chǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在過(guò)去 10 年中從壟斷型市場(chǎng)變成了競(jìng)爭(zhēng)型市場(chǎng)。引入 450mm 這一代晶圓將會(huì)增加轉(zhuǎn)換成本，同時(shí)又能創(chuàng)造另一個(gè)差異化因素，從而幫助行業(yè)更好地劃分領(lǐng)地，緩解行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。
在橫向的“供應(yīng)商-制造商-買家”產(chǎn)業(yè)鏈上，它們是緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)體，共享共同的行業(yè)環(huán)境。大多數(shù)消費(fèi)者都對(duì)價(jià)格敏感。終端市場(chǎng)的價(jià)格壓力將會(huì)向上傳遞給制造商和供應(yīng)商。反過(guò)來(lái)，無(wú)效的生產(chǎn)過(guò)程和高成本又會(huì)向下傳遞給買家和終端市場(chǎng)。450mm 完全可以改善產(chǎn)業(yè)鏈的成本狀況。
更大的晶圓可以提升晶圓面積使用率，尤其是因?yàn)?die 的尺寸變大了。可以使用 OWE 指數(shù)來(lái)比較 300mm 和 450mm 晶圓上曝光的器件的總體有效性。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)收集了300mm 晶圓廠的實(shí)際數(shù)據(jù)。特別需要指出，考慮了真實(shí)配置中晶圓曝光的相同的光刻要求，在 300mm 和 450mm 晶圓上曝光了不同大小的 die，這個(gè)過(guò)程使用了所提出的優(yōu)化算法來(lái)生成 gross die 的最大數(shù)量，由此得到了對(duì)應(yīng)的 OWE，如圖 4 所示。比較在 300mm 和 450mm 晶圓上曝光的 OWE，可以看到當(dāng) die 尺寸隨著器件越來(lái)越復(fù)雜而越來(lái)越大時(shí)，在 450mm 晶圓上曝光某個(gè) die 的 OWE 顯著優(yōu)于在300mm 晶圓上曝光同樣的 die。
除了晶圓空間增大了 2.25 倍，OWE 還能在越來(lái)越復(fù)雜的器件的變化的 die 尺寸方面更好地描述晶圓尺寸增大的好處。此外，由于節(jié)點(diǎn)縮小所帶來(lái)的晶圓生產(chǎn)率增益將會(huì)有所衰減，因?yàn)?SoC 的 I/O 和模擬部分等一些圖案寬度不能隨技術(shù)進(jìn)步而有效縮小。
圖 5：300mm 和 450mm 之間的 OWE 比較
由于復(fù)雜的光刻要求，在先進(jìn)納米技術(shù)上的掩模成本將會(huì)顯著上漲，這會(huì)影響到 IC 設(shè)計(jì)師和整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)。隨著晶圓尺寸增大，IC 設(shè)計(jì)可以停留在更老的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，這樣僅需更少的資本投入就能維持成本下降。
因?yàn)?IC 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，成本可能就成了現(xiàn)實(shí)中維持或創(chuàng)造新市場(chǎng)的最后手段。因此，這種成本壓力通常會(huì)向上傳遞給供應(yīng)商，從而吃掉它們的利潤(rùn)。供應(yīng)商可以采用三種策略：差異化、成本領(lǐng)先和關(guān)注重點(diǎn)。450mm 晶圓能讓供應(yīng)商與競(jìng)爭(zhēng)者不同，還能帶來(lái)成本上的領(lǐng)先。差異化的實(shí)現(xiàn)方式有：獨(dú)特的技術(shù)能力、系統(tǒng)集成或早期與主要玩家一起參與新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。盡管你可能需要支付早期的研發(fā)成本，但 450mm 晶圓廠設(shè)備不僅可以整合新的工具設(shè)計(jì)概念實(shí)現(xiàn)（比如單晶圓工藝和普通大型機(jī)），而且還能整合高度自動(dòng)化和工藝集成。通過(guò)供應(yīng)商-制造商共同體的密切合作與協(xié)作，可以確保遷移的有效和成功，從而為它們帶來(lái)未來(lái)的市場(chǎng)增長(zhǎng)和公司成功。不同于300mm，用這種共同體運(yùn)作的方式開(kāi)發(fā)450mm 工具會(huì)更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
從之前的 300mm 遷移經(jīng)驗(yàn)看，要讓整個(gè)設(shè)備行業(yè)都進(jìn)入 450mm 階段，至少需要投入 250 億美元研發(fā)資金。這個(gè)估計(jì)結(jié)果的因素包括平均年度開(kāi)支是 300mm 一代的 3 倍以及 450mm 有 5 年的開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，直到大約 2012 年。根據(jù)這些預(yù)測(cè)，假設(shè)平均利潤(rùn)率為 8%（只有 450mm 開(kāi)始前 5 年的一半），設(shè)備行業(yè)可能會(huì)在 9 年內(nèi)收回450mm 的研發(fā)投入。因此，花在 450mm 上的研發(fā)投入是可以收回的。總而言之，450mm 不僅能降低成本，還能催生新的制造平臺(tái)。
根據(jù) IEM 給出的行業(yè)成本趨勢(shì)
為了了解每個(gè)晶體管的成本，從而了解行業(yè)生產(chǎn)力，我們使用了 IEM 來(lái)執(zhí)行分析，如圖 5 所示。在 IEM v10.1 [5] 中對(duì)兩種情況進(jìn)行了研究。
基準(zhǔn)條件是始于 2012 年的 65nm 和450mm 之后的三年技術(shù)世代間隔。從1993 年到 2000 年，每個(gè)晶體管成本的CADR 是 29%，從 1993 年到 2018 年是27.36%。為什么后面 CADR 更低了？這可能是由行業(yè)增長(zhǎng)放緩和市場(chǎng)成熟導(dǎo)致的。根據(jù)基準(zhǔn)，我們進(jìn)行了兩次模擬，結(jié)果如下：
如果技術(shù)世代間隔從 3 年延展到 4 年，CADR 就會(huì)增長(zhǎng) 0.26%。
與基準(zhǔn)相比，如果沒(méi)有 450mm，CADR 會(huì)下降 0.34%；如果 450mm 在 2014 年出現(xiàn)，CADR 會(huì)下降 0.21%。
總而言之，450mm 一代對(duì)整體行業(yè)成本下降而言是積極的，而且可以有效地補(bǔ)償由于技術(shù)發(fā)展減速所導(dǎo)致的成本增長(zhǎng)。
對(duì)整個(gè)行業(yè)而言，450mm 晶圓尺寸遷移是一個(gè)戰(zhàn)略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會(huì)受到供應(yīng)鏈上多種行業(yè)的動(dòng)態(tài)和交互影響。這個(gè)戰(zhàn)略活動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)被用于描述實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的復(fù)雜因素和相關(guān)活動(dòng)。
在多元化新半導(dǎo)體應(yīng)用方面有有價(jià)值的買家，也有采購(gòu)買家追求低成本的解決方案。商品化的市場(chǎng)和更短的產(chǎn)品生命周期讓ASP 和收入增長(zhǎng)在成熟的半導(dǎo)體行業(yè)更慢。高混合和低產(chǎn)量的需求在消費(fèi)產(chǎn)品和價(jià)值產(chǎn)品上都越來(lái)越普遍。在行業(yè)內(nèi)部，已有的競(jìng)爭(zhēng)和新進(jìn)入公司的威脅都不會(huì)停息。更大的晶圓尺寸和技術(shù)遷移都可以讓公司生存下去并獲得成功。更大的晶圓尺寸需要研發(fā)投入和供應(yīng)商的合作，而技術(shù)則需要開(kāi)發(fā)成本和買家/客戶的合作。最終的目標(biāo)是通過(guò)縮減 die 大小或提升 OWE 讓 die 或芯片更加便宜。
要成功實(shí)現(xiàn) 450mm 遷移，需要考慮三大關(guān)鍵因素：
硅晶圓
450mm 直徑是 300mm 的 1.5 倍。450mm 的直徑為 300mm 的 1.5 倍。所需的晶圓厚度不會(huì)增加太多。然而由于熱和缺陷問(wèn)題，晶體生長(zhǎng)速度（每單位時(shí)間的量）可能是 300mm 晶圓的五分之一。一旦 IC 制造商需要承擔(dān)的硅晶圓價(jià)格增長(zhǎng)了 5倍，那么這樣的晶圓制造成本就不經(jīng)濟(jì)了。目標(biāo)價(jià)格應(yīng)該低于 300mm 晶圓的 2.5 倍。
設(shè)備
IC 制造商和設(shè)備制造商需要共同努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，這樣才能應(yīng)對(duì)先進(jìn)的小型化和晶圓尺寸增長(zhǎng)所帶來(lái)的更大難題。如果聯(lián)合開(kāi)發(fā)共同平臺(tái)，而不是因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)而重復(fù)投資，那么就可以降低研發(fā)成本和投資。大家在這方面的演進(jìn)上并不沖突，而且這既可能推動(dòng)小型化的技術(shù)遷移，也可能隨著新制造技術(shù)和設(shè)備推動(dòng)晶圓尺寸增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 450mm 遷移會(huì)有 300mm 一樣的成本優(yōu)勢(shì)，而且學(xué)習(xí)周期更短。成本結(jié)構(gòu)改變。后段工藝的成本占到了整體 IC 制造工藝成本的 20%。
晶圓尺寸的增長(zhǎng)只會(huì)改善前段晶圓基板的制造成本，但芯片方面卻沒(méi)有改善。后段（測(cè)試和組裝）供應(yīng)商和制造商還應(yīng)同步各自的成本降低效果，以改善整個(gè)行業(yè)，比如晶圓級(jí)封裝技術(shù)。
本研究提供了對(duì) 450mm 遷移的初步經(jīng)濟(jì)分析，可為行業(yè)討論提供一個(gè)基準(zhǔn)，從而確保下一次晶圓尺寸演進(jìn)能得到良好的規(guī)劃和有效的協(xié)調(diào)。如果不能維持所需的成本下降，可能就會(huì)出現(xiàn)最終會(huì)影響整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的顛覆式創(chuàng)新。
