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渐行渐远的18寸晶圆,已经不是5-10年能解决的问题

来自DigiTimes最近的消息,台积电从明年1月开始又会有一轮工艺涨价,价格涨幅大约在6%左右。其实去年台积电N7、N5这样的先进工艺技术已经有过10%的涨价了,而像N16及更早的工艺价格涨幅甚至达到了20%。

当前台积电晶圆厂的利用率已经远超过我们日常所说的“满负荷”运转率,似乎在短期内也没有缓和的迹象。如我们此前撰文所,半导体产业链较长,即便下游已经有部分行业出现市场饱和的状况,上游的响应速度还是要慢一点。而且台积电现如今也有了新增长点,供不应求局面的延续也并不奇怪。SzFesmc

说起提升产能,我们的思路似乎普遍局限在现有工艺的CapEx投入上,包括建新厂等举措。真正推动人类发展,在有市场需求时,率先考虑的难道不应该是技术革新吗?比如说更大的晶圆。450mm/18寸晶圆,好像是个每年都可以一更的话题,但这种晶圆始终也没有真正出现过。趁着这波缺芯大环境接近收尾时刻,再来谈谈450mm晶圆的未来。SzFesmc

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把晶圆做大是需要时间的

我们知道200mm(8寸)、300mm(12寸)晶圆当下仍在广泛应用。而实际上200mm和300mm晶圆也不是与生俱来的,时代跨入21世纪之际,300mm晶圆随之诞生——实际上行业先进制造工艺从200mm转向300mm,前后至少经历了10年时间。SzFesmc

150mm晶圆时期的过渡牵头者是Intel;200mm时期则是IBM;300mm晶圆的大量成本是由设备厂分担的——先期海量成本投入的回本周期据说相当长。此前研究机构的数据显示,当年150mm→200mm晶圆,历时6年,过渡的资金投入大约是15亿美元。而200mm→300mm,成本投入增长9倍,时间也变得更长了。理所当然的,行业认为300mm以后应当还会有450mm、675mm晶圆。SzFesmc

芯片die是从晶圆上切割下来的,芯片制造又涉及到良率、产量问题。把晶圆做大的价值在于每片晶圆可切割的die数量增多,能够提升芯片的总体良率;与此同时每次处理的die数量增多,也极大降低了时间成本,增大了产能——更利于快速实现芯片的成本摊薄。从各方面来看,这都是很划算的生意。SzFesmc

摩尔定律的一部分内容是说,随着工艺进步,制造成本也对应降低。将其量化,即表示制造每个晶体管的成本,随着技术的发展在不断下降。前不久我们在《半导体制造成本之谜:旧工艺罕见涨价的原因竟是...》一文中曾提到,实际从20nm工艺开始,单位数量晶体管的造价就已经不再下降了。这与技术迭代越来越不给力有很大的关系。SzFesmc

这种时候更要求行业寻求突破之道,做大晶圆似乎是个不错的方向。很多年前,Intel有过研究,显示从长远来看,做大晶圆是能够帮助加速单个晶体管制造成本的下降的。但行业为何始终未能从300mm走向450mm晶圆?SzFesmc

行业的预期总是很美好

我们此前一直在说foundry/fab厂普遍在尖端制造工艺的时间规划上热衷于放卫星,这样的传统好像从来都没有变过。Intel官网到现在还留有这样一则新闻稿:2008年5月,Intel、三星电子、台积电宣布达成协议,准备合作共同过渡到450mm晶圆。这篇新闻稿还介绍了此前200mm→300mm晶圆的过渡历史。SzFesmc

其中特别提到“为保持与历史成长步调的一致性,Intel、三星和台积电都认为2012年是开始转向450mm晶圆的合理目标时间”。现在看来,这个说法实在是太过乐观了——即便在2022年,也就是其设定目标的10年之后的今天来看,450mm晶圆都还十分遥远。SzFesmc

似乎后来,行业还曾调整过一次450mm晶圆开始应用的时间预期,调整为2015年……只能说技术的发展从不以人们的意志为转移。毕竟如前所述,从150mm→200mm,以及200mm→300mm的历史经验来看,指数级的成本和时间增投入这一判定,可能都低估了450mm晶圆实现的难度。SzFesmc

就好像2年前,行业都在低估3nm工艺的CapEx成本投入,450mm晶圆的过渡前期费用或许比300mm时期投入的10倍都不止。要将现有半导体制造工艺全面迁往更大尺寸的晶圆,可不是一两家foundry厂说了算的。上下游的各环节市场参与者,尤其是硅片供应商、不同的制造设备与材料供应商、芯片设计、封装测试都面临一次技术革新。涉及设计、制造、封测的各种工具都需要重新研发和投产。SzFesmc

这其中还有个更现实的问题,尖端制造工艺的建厂成本投入呈指数级增长,以及半导体市场发展速度还比不上成本增长率,当前从事尖端制造工艺的市场参与者就只剩下3个。这可比当年200mm→300mm转向时的局面糟糕多了。基于450mm晶圆过渡的投入成本之巨大,前期可以牵头的也没剩几家企业了;且海量成本需要由更上游的设备供应商承担。SzFesmc

在尖端制造工艺的市场参与者持续减少,行业对450mm的前期巨额成本投入,预期收回成本的时间将是无法估算的。商业企业在这样的事实面前,必然更不愿意将注意力投入其中,致使450mm晶圆技术发展进程进入恶性循环。SzFesmc

5年多以前,国际电子商情刊文谈到了18寸晶圆厂无人问津,或将继续沉寂5-10年。这则语言的时间线好像又快到了。SzFesmc

偏离轨道越来越远

当年由Intel、台积电、GlobalFoundries、IBM和三星合作组建的G450C可谓万众瞩目。当年的这场合作准备了48亿美金开发450mm晶圆相关工具与基础设施、与供应商合作配套生态开发。当然现在看来,48亿这个数目连一家尖端工艺foundry厂现在的年度CapEx投入都比不了。SzFesmc

2013年,在季度财报电话会议上,Intel当时的CEO还表示计划不变,仍然坚持450mm晶圆的价值。次年3月有消息传出Intel将450mm晶圆量产计划延迟到2023年,同期光刻机供应商ASML决定暂停开发能够处理450mm晶圆的新一代设备;下半年的媒体报道就提到,除了Intel以外,所有的主要工具制造商、晶圆厂都要重新评估计划可行性。SzFesmc

有关G450C的消息此后偶尔见诸报端。2017年有消息提到G450C中的两家企业已经在5年计划后转身离开。不过似乎在2014年之际,最早的这一波450mm晶圆计划就已经被宣判了死刑。SzFesmc

几个月前Gartner在SEMI ISS研讨会上做过一个主题演讲,题为2030年半导体行业能否达到1万亿美元营收。其中谈到未来这段时间,会新开25个存储器fab厂(产能100k片晶圆/月)、100个逻辑或其他fab厂(300mm晶圆产能50k晶圆/月)。SzFesmc

当时 IC Knowledge评论提及,半导体制造厂对资源的需求是巨量的。而450mm晶圆的面积是300mm晶圆的2.25倍。也就是说要达成相同的产能,则450mm晶圆所需的工厂数量将比300mm晶圆少2.25倍。换句话说预期要新建25个存储器fab厂,若转往450mm晶圆,也就只需要新建11个fab厂了;同理,100个逻辑或其他fab厂可以缩减为44个fab厂。SzFesmc

虽说应当无法达成2.25倍的资源节约,但各部分资源投入应当都会有所减少,包括人力成本、可管理性等。IC Knowledge预计450mm晶圆投入使用的话,每片die的净成本缩减可以达到20-25%。SzFesmc

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但现如今,450mm计划渐行渐远——已经不光是此前450mm制造计划不再被人提起,还在于当前尖端制造工艺的技术发展路径,让行业进一步偏离了450mm晶圆发展轨道。ASML如今的EUV系统正尝试更高high-NA数值孔径。仅这一项就将未来数年的光刻技术钉死在了300mm轨道上,若转向,则沉没成本将相当巨大。SzFesmc

当前ASML的high-NA EUV系统是无法承载450mm晶圆的。IC Knowledge评论说,应用于300mm晶圆的这一系统如果要转往450mm,则面临巨大的工程挑战。2017年预言的5-10年,大概率是无法兑现的。SzFesmc

Scotten Jones表示,半导体行业原本就有着短视的特点,这种短视通常以牺牲长远利益为代价。原本450mm晶圆生产制造长期能够带来更好的成本效益,但短期却必然面临阵痛。到这两年特殊时期面对的缺芯潮,以及单晶体管制造成本不再下降,暴露了行业的问题。更有甚者,基于当前技术发展需求,未来建那么多新厂,要付出的资源代价会是巨量的。450mm晶圆有机会让我们付出的代价更小,但目前行业已经没有了这样的机会。SzFesmc

责编:Elaine
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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