18英寸晶圆，为何“胎死腹中”？

多少年来，半导体业以依照摩尔定律的技能发展为紧张原动力。

在摩尔定律推动下，生产资本不停降落，也带来了技能革新。为了进步产物的生产服从和利润，晶圆尺寸的扩大和芯片线宽的减小是集成电路行业技能进步的两条主线。

通常来讲，半导体行业每十年升级fab架构来增长晶圆直径，而同时工艺制程则是保持在每两年一个节点的速率。随着纳米尺度逼近物理极限，工艺节点的技能进步已经放缓，晶圆尺寸的增长变得越来越紧张。

晶圆尺寸越大则每片晶圆上可以制造的芯片数量就越多，从而制造资本就越低。

晶圆尺寸从早期的2英寸（50mm）、4英寸（100mm），发展到6英寸（150mm）、8英寸（200mm）和12英寸（300mm），约莫每10年升级一次。

1991年业界开始投产200mm晶圆，2001年左右起步向300mm晶圆过渡，依次类推，ITRS(国际半导体技能发展门路图)和摩尔定律都以为，2010年之后渐渐开始迈向450mm（18英寸）晶圆。

彼时，英特尔、三星和台积电等行业巨头都体现了肯定态度，为2012年过渡到450mm而做着准备，与制造装备、质料厂商开展协商以便供应装备和质料，同时举行有关尺度化方面的工作。他们假想向450mm过渡就像以往向300mm过渡一样，可以增长向用户提供的代价，生产率翻番。

200mm晶圆到300mm的迁徙，曾经让单位晶体管资本突破摩尔定律，产生了跃变。这也很好明白，越大的晶圆就可以或许切割出更多的Die，从而大大低落单晶体管的代价。据统计，每次提升晶圆尺寸，产出Die的数量至少进步一倍。

然而，齐备抱负中的上风和规划终究未能落地。有数据表明，当前一代晶圆酿成主流，支持了约莫 40% 的总产能时（从而可以维持康健的产能组合，资本足以支持差异的应用），新一代晶圆就会开始。

然而，现在天下上芯片的产能高出70%是12英寸晶圆，第一条12英寸Fab线迄今已近二十年，我们却尚未看到下一代18英寸晶圆厂的出现。

那么，18英寸的筹划毕竟为什么“胎死腹中”？

18英寸晶圆往事

抽芽

早在2004年，在芯片同盟International Sematech主理的环球经济研讨会上，时任美国应用质料公司常务董事Iddo Hadar发言说：“半导体财产在向450mm晶圆方向进步，450mm晶圆厂将在2011-2015年出现。”

2007年，ISMI（国际半导体技能制造协会）夸大，在摩尔定律的指引下，未来生产资本须要低落30%，产物生产周期须要改善50%，而这种需求只有过渡到450mm晶圆尺寸才华做到。

在业界的划一推许和引导下，2008年英特尔公布与三星、台积电告竣互助协议，将在2012年投产450mm芯片晶圆，预计会起首用于切割22nm工艺处置惩罚器。

英特尔信赖，从300mm晶圆到450mm的迁徙将使每个晶圆的芯片数量增长一倍以上。英特尔、三星和台积电筹划与整个半导体财产互助，确保全部必须的部件、根本办法、生产本事都能在2012年完成开辟和测试，并投入试验性生产。

这个蓝图被写入到2009和2010年的ITRS(半导体协会技能发展门路图)中，但是2012年的ITRS被重新修改，原定筹划目标全部推迟2年。根据2012年ITRS规划，450mm晶圆尺寸生产质料及装备制造商，应当在2013-2014年形成生产本事，并提供相应装备给IDM和Foundry。

在2011年Semicon West集会上，已往不停对450mm规格转换没什么好感的半导体装备厂商，在各方的奉劝下，也已经逐步变化了对其的态度，并做出了一些有实质性意义的变化更作。好比应用质料公司体现将在450mm项目上的投资将高出1亿美元规模；量检具厂商KLA Tencor便推出了其可实用于450mm晶圆的查验用工具Surfscan SP3；450mm晶圆制造用光刻装备的兼容性的标题也有望得到临时的办理，光刻厂商会推出一些临时的办理方案以应对光刻机与450mm规格晶圆兼容的标题。

也是在这一年，新上任的纽约州州长Andrew Cuomo力主搞个大政绩，约请芯片五强(IBM、英特尔、格芯、台积电和三星)在纽约州研发下一代芯片技能，各人亮相投资44亿美金推进450mm，这就是环球450同盟(G450C)，并于美国纽约州Albany设立了450mm晶圆技能研发中心。

450mm同盟建立后，18英寸晶圆世代的技能和机台装备有不少方针已开始建立，是半导体财产迈入18英寸晶圆世代的紧张里程碑。这个同盟的关键根本是纽约州立大学理工学院的气力和IBM微电子大本营多年在该州的耕耘，尚有纽约州允许的当局补贴。期间，Cuomo还拉着尼康共同出资3.5亿美元搞450mm浸入式光刻机。

实际上，除了G450C同盟之外，欧盟在更早时间搞过一个EEMI450的互助筹划，以色列也搞过一个Metro450，共计三个同盟来推动450mm晶圆的渴望，目标是可互用研究效果，淘汰重复性的实行。

除此之外，半导体制造技能战略同盟（SEMATECH）和国际半导体行业协会（SEMI）等也在推动环球财产链的互助研发，渴望晶圆直径的增大牵动整个财产链带来的改变。

衰落

然而全部的筹划都没有使450mm晶圆乐成。自2014年开始G450C同盟出现暂缓研发450mm晶圆的迹象。

英特尔着实是最积极推进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，门路图各种延误，没故意思再去关注450mm晶圆。

英特尔在2014年的退却被以为是450mm晶圆死亡的一个关键时间。

而无心硬件的IBM把半导体部卖给了格芯，但格芯并没有富足的钱去搞450mm这么大的工程，末了白白丧失了一大笔之前的投入。

针对这种情况，SEMI和ISMI（美国国际半导体技能制造协会)于2014年设立了一个EPWG装备生产率工作组，对过渡450mm晶圆标题举行了研究，得出的明白结论是——“此非当时”。

在2014年英特尔退出两年后，台积电也静静退出了G450C同盟。

多年以后，在回顾台积电放弃450mm晶圆的缘故原由时，前台积电首席运营官蒋尚义在继续采访时说道：“当年，英特尔是推动转向450mm晶圆的紧张推动者，由于它以为这是得到市场上风的另一种方式。18英寸会将业内小玩家挤出市场，巩固巨头职位。

台积电之以是不推广450mm晶圆技能，缘故原由是台积电在300mm晶圆上已乐成击败了许多较小的竞争对手，创建了领先上风。但如果到450mm，就会直接与英特尔和三星睁开竞争。

英特尔和三星都拥有比台积电更多的工程师，而且尚有更多的收入可以利用，这将有助于两家公司在450mm生产上的投资比台积电要多。以是，进军450mm根本不会资助台积电，反而会占用台积电太多的研发职员，减弱其在其他范畴寻求技能进步的本事，实际上会对公司造成潜伏的伤害。”

团体而言，业界对450mm晶圆进程自开始就有差异的看法，除了上述厂商的夷由不决和无暇分心之外，此中最为关键的半导体装备供应商，包罗如应用质料、ASML等也缺乏积极性，来由是450mm装备不是简朴地把腔体的直径放大，而是要从根本上对于装备举行重新计划，因此面对着经费与人力等标题，更多的担心是未来的市场，能否有富足的投资回报率。

当时的ASML也正在EUV光刻机中挣扎，光源服从等标题不停拖后量产的时间表，资金压力使ASML率先公布退出450mm互助。固然有尼康的光刻机支持，但是如果450mm团体良率和服从并不能显着提升的话，资本并不会比300mm低。

以是，关于450mm晶圆的声浪看似此起彼伏，但大多数财产链厂商实际上都是雷声大雨点小。

现在，工艺制程都发展到了3nm，却仍未见到450mm晶圆的身影，以致都没有看到行业厂商在450mm晶圆上的规划。

归结其缘故原由，无外乎资本、良率、财产链配套等方面存在不敷。

18英寸晶圆的紧张挑衅是什么？

资本巨大

贩子通常是无利不起早的，既然450mm可以或许低落Die的资本，那各人为什么不积极结构呢？

18英寸晶圆已经被证明是一个“梦幻泡影”，在业界放弃这个想法之前，已经做了大量的开辟工作，资本标题成为企业纷纷退出的关键因素。

晶圆代纪迁徙的资本是巨大的。据推算，从150mm到200mm花了约莫6 年，耗费将近15亿美金；而从200mm到300mm则花了近10年时间，投入了116 亿美金，资本险些上涨了近8倍。而要进化到450mm，将泯灭装备商们高出1000亿美元的巨额研发资本。

同时，装备资本和时间资本减缓了晶圆尺寸迈向18英寸的脚步。固然450mm晶圆的面积是300mm的2倍多，但生产时间上要弘大于2倍时长。

SEMI曾猜测每个450mm晶圆厂将耗资100亿美元,但单位面积芯片资本只降落8%。高额的资金压力，以及并不显着的良率和服从的提升，使得行业减缓了向450mm迈进的步调。

然而资金标题并不是450mm项目面对的唯一困难。450mm规格转换的时间点，与节点制程与EUV光刻技能升级的时间点相互撞车则是别的一个不确定负面因素。

良率挑衅

且不说是否有符合的经济模子来模拟450mm的各种装备资本增长，以及各种生产服从和利用率，每一步的良率都是极其不可猜测的变量。

从原理来看，晶圆是由硅锭加工而成的，通过专门的工艺可以在硅晶片上刻蚀出数以百万计的晶体管，被广泛应用于集成电路的制造。

假设晶圆本身工艺没标题且同种芯片的良率稳固，那么晶圆直径越大，晶圆利用率就越高，可产出的芯片数就越多，每个芯片的资本也就越低。这也是晶圆厂向更大直径晶圆制造技能发展的缘故原由。

但实际中，晶圆尺寸越大，对微电子工艺、装备、质料的要求也就越高。由于约75%的硅晶片接纳直拉法举行生产，在结晶过程中，直径越大，大概由于旋转速率不稳固导致晶格结构缺陷的大概性越大。

同时，晶圆直径越大就意味偏重量越大，边沿处就更容易出现翘曲的情况。因此，晶圆越大，良品率越低，晶圆单位面积资本越高。

因此，通过增大晶圆尺寸低落的资本不能增补大直径导致晶圆不良率增长资本的时间，选用更大尺寸的晶圆举行生产就变得不经济。

财产链配协力度

从行业规律来看，向更大晶圆尺寸进军，给较小的市场玩家设置了进入壁垒。从芯片制造厂商方面看，约莫有130 家公司拥有150mm晶圆厂，而拥有200mm晶圆厂的公司不到90家，拥有300mm晶圆厂的公司只有24家。

由于450mm晶圆涉及到整个财产链上卑鄙的巨大厘革，总投入是千亿美元量级的，半导体业界再也没有一家企业可以或许独家订定尺度和负担风险。知乎博主“老狼”曾体现，如果投入一个450mm的FAB, 资本将高出100亿美金，只有少数公司能负担得起一座450mm工厂，这将带来更大的南北极分化征象。

总的来看，迁徙到新的晶圆尺寸平台须要半导体供应链的上卑鄙互助，会扳连到整个财产链的资源调配，研发以及一体化办法，险些全部工具都须要重新研发、投产和试运行。

类似地，装备市场也越来越会集，前10家供应商所占据的市场份额已经从90年代的60%增长到了2000年代的75%以上。为了维持芯片资本降落和行业连续增长，晶圆尺寸增大与长处相干者之间的垂直互助至关紧张。

现在在18英寸晶圆产线发展上除了资金和技能的双重压力，导致晶圆厂向18英寸晶圆产线转进速率急剧放缓的缘故原由还在于装备厂商的意愿。

18英寸的工作与已往的晶圆尺寸转换差异，在150mm时，英特尔是向导转型并付出大量工作费用的公司，而在200mm时则是IBM。在300mm时，装备公司负担了许多资本，他们须要很长时间才华收回投资。

而450mm的资本再次被推到装备公司身上，他们非常不肯意继续这种情况。2014年，英特尔因利用率低，42号晶圆厂闲置，因此将资源从18英寸撤下，台积电也在18英寸上退让，装备公司停息开辟工作，18英寸晶圆就此“殒命”。

在前车可鉴的阴影下，重振18英寸之路并非易事。

最初ASML的研发筹划包罗450mm晶圆光刻体系和EUV光刻机体系，在发现450mm晶圆的蹊径上行不通后，ASML于2013年11月决定停息450mm光刻体系的开辟，直到看到客户及市场在这一范畴有明白的需求。

当前，ASML试图生产富足的EUV体系并将High NA装备投入生产。12英寸的High NA EUV体系已经非常巨大——难以运输，制造更大的18英寸版本将是亘古未有的工程挑衅。

别的，为了维持更大晶圆的匀称性、生产性和良品率，18英寸产线对晶圆传送工具、单片加工装备、精密切割装备及CMP等装备提出了更高的精准度要求，要产生更大的资本。加工更大晶圆和更小的容差的装备变得更加昂贵。

随着晶圆尺寸的增大，对于体系的集成、体系的主动化、质料的特殊要求及团体功耗等都对装备制造商提出更高的要求。

可以预见，芯片制造商和装备制造商须要共同积极实现技能进步，如许才华应对先辈的小型化和晶圆尺寸增长所带来的更大困难。只有使得芯片制造商与装备制造商同时实现双赢，才华连续推动半导体财产的康健发展。同样装备制造商须要投资较之前比例更多的研发费用，才华实现450mm晶圆苛刻的工艺及技能要求。

写在末了

对整个行业而言，450mm晶圆尺寸迁徙是一个战略决议。但是，晶圆尺寸迁徙的有用性会受到供应链上多种行业的动态和交互影响。

18英寸晶圆引进时程趋缓，紧张因初期须要大规模投资，由于晶圆尺寸改变，相干装备必须共同变更，不但须要建立新工厂，装备也须要更换，对晶圆制造厂和装备厂来说负担不小。一旦筹划失败恐导致较大影响，使得各家装备大厂频踩煞车。

现在半导体行业大多转向活用现有装备，朝微细化先辈制程方向举行发展和演进。曾经的渴望现在越来越渺茫，现在450mm晶圆离我们不但没有变近，反倒更加含糊不清。

鉴于当前经济和技能的种种形势，转向450mm晶圆的步调很有大概会继续延缓。一位来自某半导体厂商的高管称，半导体业界绝不会减缓升级节点制程的速率，由于人们广泛以为，从节点制程的缩减中所获取的长处，要比接纳更大尺寸晶圆所得到的资本长处更为紧张。

但事物总是要发展的，现在先辈制程到了3nm以致2nm以后，摩尔定律渐渐失速，不知业界是否会将眼光重新聚焦到450mm晶圆上来。

泉源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）原创

作者：李晨光