关于450mm晶圆生产线的争论

要不要建450mm晶圆生产线？

　　不断缩小芯片的特征尺寸和不断扩大晶圆的直径是推动半导体产业前进的两大轮子。当今，第一个轮子正处于45nm芯片量产的位置，并正在向32nm芯片前进；第二个轮子正处于300mm晶圆量产的阶段，并正在向450mm进军。目前全球300mm晶圆生产线到底有多少条？由于统计渠道不同，略有差异。(1)据2008年1月《电子产品世界》报道，全球600条IC生产线中，产能主要集中于200/300mm生产线，至2007年底，200mm生产线190条，300mm 生产线60条。(2)据2008年2月《SI China》报道，全球300mm生产线(含在建)81条，其中台湾地区22条，美国21条，日本15条，韩国9条，中国8条，欧洲5条，新加坡1条。(3)据2007年8月SEMI预测，至2008年底全球300mm生产线73条，其中25条为2008年新增，月产超过620万片。

　　关于要不要建450mm晶圆生产线的意见迥然不同。 同意的理由是，增大晶圆尺寸是降低芯片成本的有效办法。坚持要建450mm生产线的急先锋是英特尔，吹鼓手是台积电。2007年11月 IC Insights预测将有15家芯片厂参与450mm技术竞争，较早表态的有5家，如英特尔、台积电、三星电子、东芝和海力士；最终会参加的有力晶半导体、奇梦达、茂德科技、尔必达、南亚科技、台联电、Micro、中芯国际、特许和IBM等。IC Insights总裁Bill Mcclean 认为：“生产450mm产品是必然的方向， 450mm晶圆只是到来的时间问题，而不是是否会到来的问题”。他又说：“是否采用450mm晶圆制程的底线和发展该技术的成本不会联系在一起，在现有的基础上采用450mm技术的成本绝对是非常高的”。他还认为：“在下一个10年中，450mm晶圆将在IC行业中具有空前权力和影响力”。

　　否定的意见是，2007年4月成本管理软件与咨询公司Wright Williams & Kellytm(wwk)在调查450mm晶圆厂项目中指出，有近40%的人认为450mm晶圆厂永远不会出现。早在2005年，也有一些人认为，450mm晶圆厂永无见天日的机会，300mm晶圆将成为IC工业最后的晶圆尺寸。

何时建450mm晶圆厂？

　　关于何时建成450mm晶圆厂也有两种不同的意见，一种是2012年前后，另一种是2020年以后。

　　从晶圆尺寸发展历史看，大约每10~11年会发生一次晶圆尺寸的转移，200mm量产约在1990年，300mm在2001年左右，预测450mm的量产时间大概在2012年前后。美国应用材料常务董事Iddo Hadar 表示：“全球半导体产业正向450mm晶圆方向前进，除非经改变其行为方式，它将于2011~2015年出现。收回450晶圆的投资是可能的，但其周期将长于企业和管理层的寿命”。英特尔支持ISMI(国际半导体技术制造协会)450mm的项目经理Tom Abell 认为：“只要能像历史上的每次晶圆尺寸转移那样获得生产力提高等好处，那么2012年将是ITRS(国际半导体技术蓝图)预测转向450mm的合适时间点”。WWK公司在“预测450mm晶圆厂问世时间”调查中，最常见的回答是2013年或更晚。2008年1月英特尔在半导体产业策略研讨会(ISS)上表示：在2012年左右建成450mm晶圆厂。英特尔CEO Paul Otellini表示，英特尔在2012年向450mm生产线过渡，并将与半导体设备厂共同向这一技术转移，如应用材料、日立、尼康等。并且最早在2014年开始利用450mm晶圆进行少量生产，并希望与三星电子、台积电、东芝等大型半导体厂进行只作。台积电认为，全球300mm晶圆将于2012年达到整体产业的50%，同时450mm将正式启动，并进入试产阶段。台积电将于2010年使用450mm晶圆，与英特尔、三星一起成为全球最新世代的领导厂。

　　另一种意见是2020年以后，VLSI Research 总裁Risto Puhakka 警告说：“IC设备开发费用的飞涨，可能使下一代450mm晶圆厂的出现将延后到2020~2025年之间，比现有进度延缓10年以上”。2008年1月在ISS会上，VLSI Research CEO G.Dan Hutcheson说：“450mm晶圆将会出现，人们开始着手研究处理问题，但从来不相信2012年就会出现，可能在2020~2025年左右出现”。IC Insights 总裁Bill Mcclean 认为：“450mm技术可能至少需要10年才能完成，在2015年之后，450mm晶圆制程将在行业内确定主要IC生产商的支配地位”。
                                                              

图1  英特尔Mike Goldstein 双手举着一枚450mm晶圆，并介绍了450mm的初始材料

当前研发450mm晶圆技术的动向

　　英特尔于2006年成立450mm晶圆小组。2006年10月在ISMI研计会上，英特尔Mike Goldstein 双手举着一枚450mm晶圆(图1)，并介绍了450mm的初始材料，他强调硅供应链、材料加工、表征设备和晶圆规格标准化等方面的挑战，其中最大挑战来自CE直拉机，由于提拉速度慢，导致生产力下降，硅衬底成本增加。去年7月日本日矿金属表示已开始供应多晶硅450mm晶圆样品。

　　台积电于2006年对450mm晶圆的研发进行投资。2007年4月台积电对450mm晶圆进行评估，台积电将投资80~100亿美元建造450mm晶圆厂。由于450mm晶圆的投资是300mm的3倍，所以台湾地区产业经济业资讯服务中心(IEK)认为，台湾地区能投资建得起450mm的公司是台积电、力晶半导体、南亚科技、茂德科技。预计未来台湾450mm晶圆厂的产量将超过300mm。今年1月台湾地区经济部门启动下世纪工作计划，筹组450mm晶圆制程联盟，招募台湾地区半导体上下游厂加入，未来将积极参与国际标准的制定，争取ISMI来台湾设立450mm晶圆试产线。

　　ISMI于2006年一季度成立450mm晶圆工厂体系结构、工厂模拟、初始材料和经济分析4个焦点小组，10月在ISMI制造效率研讨会上，这些小组分别报告了他们的最新工作进展。2007年7月在Semicon West 会上，ISMI启动450mm项目，在2007年组织讨论新450mm计划，并将在2008年达到以下目标：确保450mm硅晶圆的有效性；发展450mm工程整合指导和标准；建立450mm工厂集成原型测试平台。2007年11月在夏威夷召开的ITRS下属ITPC(半导体行业国际会议)上正式将450mm晶圆作为会议基本议题。看来，450mm将逐步纳入ITRS的规划中。2007年10月全球半导体制造联盟Sematech准备建一家工厂综合实验台“制造厂，以推动450mm设备的发展，工厂将建于美国德克萨斯州奥斯汀市，计划造450mm交互式实验台。

谁为研发450mm晶圆设备买单？

　　众所周知，研发300mm晶圆设备的买单都是由设备厂自掏腰包。可是，研发450mm设备情况就不同了，因为投入太大，设备厂不再愿意单方承担风险，要与芯片厂共担风险。WNK公司副总裁Daren Dance明确表示：“考虑到300mm晶圆未能在预期时间段内推出的历史，以及它对供应面的可怕影响，很容易看出为什么设备厂非常关心谁为晶圆尺寸的再次扩大(450mm)买单？”VLSI Research总载Risto Ruhakka 认为：“如果系统研发成本遵循同样昂贵的300mm时代的指数曲线，则设备工业将无法负担450mm厂所需加工设备的开发费用。在这种情况下，总体IC设备业将耗费1020亿美元用于450mm设备，而目前还不清楚，谁将为研发450mm设备买单？”2005年9月日本东京电子(TEL)CEO Tetsuro Higashi 在国际半导体制造论坛(ISSM)会上直言不讳地指出:”研究450mm晶圆的IC设备买单应由双方来共同承担,双方分享风险和利润”。他呼吁设备厂与芯片厂必须加强合作,共同承担越来越多的研发成本,在开发下一代设备期工艺和晶圆尺寸方面要避免过去(指300mm设备)的错误,合作将帮助产业避免过去的错误。

　　为此，去年10月全球头号IC设备厂应用材料表示：“目前内部没有任何450mm晶圆厂设备的研发计划，而300mm晶圆厂在经济规模、良率、效能、生产力都有极多的改进空间”。

450mm晶圆规模标准

　　在去年7月Semicon West会上，讨论了450mm晶圆规格标准，推荐厚度比300mm厚50mm，达825mm，这是为了保证制造和加工过程中晶圆的完整性。由于450mm晶圆直径/厚度比的增大，将加大热处理过程中晶圆的滑落和破裂风险，该风险来自温度梯度和重力带来的应力。另外，晶圆的弯曲性在制造过程中的退化，会给光刻、退火多个制程带来麻烦。为此，450mm设备必须全自动化。关于450mm晶圆一批的数量问题也进行了讨论，一批是25枚好还是13枚好。

　　由此看来，建造450mm晶圆生产线是大势所趋，最早建成450mm晶圆厂的时间是2012年左右，由于建一座月产12~15万片的450mm晶圆厂需投资120~150亿美元，所以450mm晶圆技术、建厂、量产等方面都需要多方合作，甚至建立联盟，包括芯片厂、设备厂、材料厂、化工厂等，只有这样，才能加速450mm晶圆前进的步伐。