硅片20毫米直径,450毫米目标距离

[图1]带有集成电路的硅晶圆：左起2英寸、4英寸、6英寸和8英寸直径晶圆来源：维基百科

半导体的历史就是晶圆直径不断增大的历史

半导体的历史不仅是一部小型化的历史，也是一部硅晶圆直径不断增大的历史（图2）。 1960年后，直径约为075英寸（约20毫米）的单晶硅片首次问世。 1965年左右，当戈登·摩尔提出所谓“摩尔定律”（见前文）时，早期集成电路对15英寸（约40毫米）晶圆的需求迅速增加，取代了此前主要用于分立（单功能）晶体管的小型125英寸（约30毫米）晶圆。

[图2]硅晶圆尺寸（基板直径）的变化

之后又推出了2英寸（约50毫米）和3英寸（约75毫米）晶圆，1975年左右，4英寸晶圆（约100毫米）出现并在全球范围内广泛使用。之后，如图2所示，我们经历了5英寸（125厘米）、6英寸（150毫米）、8英寸（200毫米），现在本世纪我们正在进入300毫米时代。

目前，尖端半导体生产线使用300毫米晶圆用于逻辑集成电路、存储器和模拟，但20世纪80年代和90年代建造的生产线使用6至8英寸晶圆，少数较旧的生产线仍然使用4英寸晶圆。

顺便说一句，关于晶圆直径这个术语，由于晶体管的发明和半导体晶体的生长也起源于美国，因此单晶晶圆的直径传统上以英制和磅制为基础以英寸表示（目前全世界仅在美国接受）。然而，自8英寸时代以来，美国出现了将晶圆直径显示采用公制的运动，而美国人有意识地将晶圆直径称为200毫米，而经常看到日本人更喜欢使用8英寸作为他们习惯的延伸。从300mm开始，公制已在全球范围内确立。

硅晶圆制造是日本的特产

硅片是如何制造的？首先，将高纯度多晶硅粉碎，放入碗状石英坩埚中，加热熔融。接下来，将一根悬挂在金属丝上的小籽晶棒附着在硅熔体的表面，并在旋转的同时慢慢向上拉，形成与籽晶具有相同原子排列的单晶硅锭（图3的上部）。与用刀将圆柱形火腿块切成片（薄膜状火腿）一样，将硅锭切成盘状晶片，然后将其抛光、蚀刻和清洗多次，直至表面变得闪亮如镜（图3，底部）。

[图3]不同直径的硅锭（上）和硅片（下）
来源：SUMCO

拉制没有晶体缺陷的单晶硅锭需要温度控制、拉锭速度控制等困难而精细的技术，经过半个世纪的反复试验，硅锭直径已从075英寸（20毫米）逐渐扩大到300毫米（相当于12英寸）。在此期间，直径扩大了16倍，面积扩大了250倍。顺带一提，2014年全球硅片出货量创下937亿平方英寸（6045万平方米）的历史新高，比上年增长114%。以货币计算，约为76亿美元。

顺便说一句，全球顶级的硅片供应商是信越半导体（信越化学的全资子公司），海外称为SEH（Shin-Etsu Handoutai的缩写，发音为SEH）。排在第二位的是SUMCO（发音为Samco），这是一家老牌日本公司，但公众并不熟悉。三菱材料硅与住友金属工业硅事业本部于2002年合并，成立住友三菱硅，2005年更名为SUMCO。后来又收购了同业公司小松电子金属，使其成为子公司，于是成为信越半导体三大对手公司的联盟。仅信越和SUMCO就占据了全球硅片市场60%以上的份额。要求无缺陷晶体质量的硅晶圆制造是日本的专长。

450mm大直径旨在降低30%成本

每次半导体器件小型化，都需要引入新的技术和材料，包括高分辨率光刻技术，器件制造成本往往会上升。过去 50 年来，人们尝试通过增加晶圆直径来吸收成本增加（图 4）。

[图4]每个小型化指标（技术节点）的硅片单位面积制造成本（任意规模）
通过增加晶圆直径来降低随着小型化进程而上升的制造成本 来源：英特尔

根据这一经验法则，我们目前正在将晶圆直径增加15倍，从当前最先进的300毫米增加到450毫米（面积将增加15 x 15 = 225倍），以便通过增加直径来吸收因小型化而增加的成本。

根据美国半导体制造技术开发联盟Sematech的估算，尽管450mm晶圆的价格最初比300mm晶圆高出55倍，但450mm制造设备的采购成本、公用设施成本、耗材成本和维护成本可以保持在比300mm情况高30%的水平，因此，每颗芯片的制造成本使用450mm 晶圆将比 300mm 晶圆减少 30%（表 1）。为了降低制造成本，全球范围内掀起了推广 450mm 大直径镜头的运动。

[表 1]使用450mm晶圆的制造成本分析（与300mm比较）

美国五家先进公司组成450mm推广组织

为了避免芯片成本因小型化而增加，英特尔沿袭过去加大硅（Si）晶圆直径的经验，从早期就坚持必须尽快实现450mm。2008年5月，它接洽韩国三星电子和台湾台积电，宣布三家公司将共同开发450mm制造技术。然而，由于半导体制造设备制造商尚未收回300mm设备的开发成本，因此无法获得合作，最初计划于2012年开始450mm原型生产的计划落空。

450mm之所以突然变得更加现实，是因为这是自2011年9月26日美国纽约州州长科莫突然宣布“来自美国、台湾和韩国的五家领先半导体制造商（英特尔、台积电、三星、格罗方德和IBM）将在州首府奥尔巴尼启动两项重大项目以来，首次开发下一代计算机芯片并推广更大直径450 毫米。''

这五家公司加入了由纽约州政府和纽约州立大学纳米科学与工程学院 (CNSE) 领导的全球 450 毫米联盟 (G450C)。 ）于次年开始活动，目标是“评估450mm设备，进行14nm工艺技术的验证，并创造制造环境，以便会员公司能够在2015-2016年建立450mm中试线。”后来，目标改为“在2016年底前完成10/7nm设备评估和工艺验证”，至今仍是这个目标（图5）。

[图5]美国环球450mm联盟（G450C）流程图（截至2014年12月）

G450C对于450mm设备获得了非常好的初步评估结果，我们确定从300mm过渡到450mm不存在重大技术障碍，除了尚未安装的曝光设备（稍后描述）。

欧洲设备行业正在推广450mm

在欧洲，该地区的半导体设备和材料制造商推动了增加450mm直径的开发活动，并于2009年成立了一个名为欧洲450mm设备和材料倡议（EEMI450）的上级组织。在EC（欧盟委员会）的财政支持下，于2010年至2012年实施了同名的450mm设备材料开发项目，甚至在项目结束后结束后，该推广机构继续作为“欧洲450mm平台”。会员数量已增加至来自10个国家的58家公司。大约在这个时候，各种得到公众支持的推广使用450毫米的项目相继诞生并同步推进（图6）。 ENABLE450 项目将这些活动联网并向外界宣传，而 Bridge450 项目旨在发现亚洲对 450mm 设备的潜在需求并吸引 450mm 晶圆厂落户欧洲，正在推动整个项目。

[图6]欧洲EEMI450平台上的多样化450mm项目

Imec是比利时一家独立的先进半导体研究所，正在利用当地佛兰德地区政府的资金建造一座450毫米的研发洁净室。

除此之外，以色列在政府支持下启动了一个名为 Metro450 的 450mm 测量产官学项目。 Metro450与美国的G450C和欧洲的EEMI在450mm设备评估方面拥有全球协作体系。

曝光设备是实现450mm量产的关键

450mm量产的最大瓶颈是光刻，但希望ASML开发量产EUV（波长为135纳米的极紫外光）量产光刻设备，没有希望提高光源输出，将吞吐量提高到与传统光刻设备相同的水平。另一方面，针对ASML，尼康宣布将于2015年4月出货采用传统技术的450mm ArF浸没式光刻系统（原型机），随后于2017年量产（稍后在客户期望的时间）。至少在未来几年内，该公司可能会成为全球 450mm 扩张计划的领跑者。然而，由于这种曝光方法分辨率较差，如果不经过多重图案化的复杂工艺就无法实现超精细加工，从而增加了制造成本。另一方面，EUV曝光分辨率较高，且仅需一次曝光，因此部分市场更愿意等待EUV曝光的实际应用。

450mm版本什么时候开始？

全球尖端小型化领域的领导者英特尔（2012年）原计划于2015-2016年开始450mm原型生产，并于2018年实现量产。然而，正如本系列第1部分提到的，该公司遇到了意想不到的情况，其14nm MPU 300mm生产线的良率问题长期得不到解决。首先，除非我们找到一种方法来填充 300mm 线，否则我们无法移动到 450mm。此外，预计PC主力MPU业务将长期下滑，Intel宣布全面进军代工厂，14nm代工厂竞争加剧，向450mm迈进甚至是暂时的困难。而且，如上所述，目前还没有450mm EUV曝光的计划。

尽管Intel承认其原定计划已被推迟数次（实际上已经被搁置），但其官方表示其“坚定决心在2010年代末开始量产450mm（总裁Krzanich，2013年10月）”的政策没有重大变化（换句话说，它希望在2013年底开始量产450mm）最迟 2019 年）。然而，如果英特尔、台积电和三星之间的代工竞争在10纳米上变得更加激烈，而且似乎需要时间来开发技术来提高良率，那么向450毫米的转变可能会进一步推迟。

此外，与 300mm 工厂相比，建设 450mm 制造工厂需要巨大的资本投资，而现实情况是，全球只有少数公司能够负担得起这项投资。为了使整个半导体行业继续增长，有必要从市场和经济的角度来思考。

作家

服部刚（服部武）

在索尼公司工作了 30 多年，负责范围广泛的任务，从中央研究所的基础半导体研究到半导体业务总部的器件和工艺开发，再到提高大规模生产线的良率。在此期间，他还积累了总公司管理/研究规划的经验，曾留学美国斯坦福大学，并担任集成电路研究所客座研究员。 2007年，他独立担任技术和管理顾问以及国际科技记者。工学博士。电化学学会（ECS）院士兼主任。韩国汉阳大学工程学院客座教授。他的主要出版物包括《Silicon Wafer Surface Cleaning Technology》（Realize Publishing）英文版（Springer Publishing）、《Superritic Fluid for Semiconductor MEMS》（Corona Publishing）和《Megatrend Semiconductor 2014-2023（Nikkei BP）》（均为合着）。