拉晶炉底下是个石英锅(坩埚),用来融化多晶硅碎块。做一口纯净无比的二氧化硅大锅,却是个高超的技术活。
同时,为了拉450mm的晶棒,锅里大概要放一吨的硅块,比煮300mm的汤重一倍,而且提拉的也会多用十几小时。
如何让这一大锅像熔岩一样的硅浆糊一直控制在稳定的温度下,硅棒提拉和旋转速度也都极其稳定,成为比300mm更大的挑战。
后来,还不断有各种用小锅不停加料的方法被设计出来。
虽然都不容易,但半导体届对这点困难表示不屑一顾。
因为 200mm x 1.5=300mm
所以 300mm x 1.5=450mm
就这样。
二、
历史上更大的硅片都使得单位面积芯片成本显著降低,不过究竟是怎么降低的,却是个复杂的问题。
芯片生产流程中,设备成本和时间成本是两大核心要素。
450mm晶圆的面积是300mm的2倍多,那么生产效率也可以是两倍吗?
很遗憾,并不是这样算。
更大的晶圆并不能节省光刻和测试等工艺的时间,只能节省晶圆装载、蚀刻、各种清洁打磨等时间。
那么增加的设备成本能否真的转换为更高的生产效率呢?
答案是:不知道。
三、
因为450mm晶圆涉及到整个产业链上下游的巨大变化,总投入是千亿美元量级的,半导体业界再也没有一家牛到能够独家制订标准和承担风险。
这时还是需要产学研加上政府引导。
2011年新上任的纽约州州长Andrew Cuomo力主搞了个大政绩。
Cuomo成功邀到芯片五强(IBM、英特尔、格芯、台积电和三星)在纽约州大幅度研发下一代芯片技术,大家表态投资44亿美金推进450mm,这就是全球450联盟(G450C)。
这个联盟的关键基础是纽约州立大学理工学院(SUNY Poly)的实力和IBM微电子大本营多年在该州的耕耘,还有纽约州承诺的政府补贴。
Cuomo还拉着尼康共同出资3.5亿美元搞出450mm浸入式光刻机。
欧盟在更早时间搞过一个EEMI450的合作计划,以色列也搞过一个Metro450。
然而所有的合作都没有使450mm成功。
四、
主流的晶圆尺寸为什么会从6英寸,发展到8英寸,直到现在的12寸,而原本要在2015年就过渡到18英寸的计划为什么最后会胎死腹中,最终都由更大尺寸的晶圆是不是具有更好的经济效益来决定,这里面有一个隐含的前提是,这个经济效益主要由晶圆代工厂来判断决定。
晶圆尺寸的变化,会牵涉到上下游整个半导体产业链的资源调配,研发以及一体化行动。
简而言之,芯片的应用使用场景决定了芯片的出货规模,而芯片的出货规模又决定了晶圆的尺寸,晶圆代工厂会根据市场情况来开发对自己最有力的晶圆尺寸及制造工艺。
当初300mm晶圆厂上马的时候,大概有七、八家芯片巨头步调一致,这使得风险均摊了。
四、
SUNY Poly的CEO在2016年因丑闻下台,英特尔又一直陷在10nm的泥潭里,没有公司再愿意牵头,G450C联盟彻底瓦解。
Cuomo州长倒是一直连任到今天,看来会搞经济的领导在哪里都受欢迎。
错过了唯一一次时机,不再有领头羊公司搞450mm晶圆,450mm的经济性是否存在变成了无法知道的谜。
且不说是否有合适的经济模型来模拟450mm的各种设备成本增加,以及各种生产效率和使用率,每一步的良率都是极其不可预测的变量。
半导体业者认为,18寸晶圆引进时程趋缓,主要系因初期需要大规模投资,由于晶圆尺寸改变,相关设备必须配合变动,不仅需要建设新工厂,设备亦需要更换,对半导体和设备厂来说负担不小,目前半导体业者大多转向活用现有设备,朝微细化制程方向进行投资。
半导体业者指出,18寸晶圆计划很早就喊卡,因为有能力进入18寸晶圆世代的厂商太少,只剩下台积电、三星电子(SamsungElectronics)和英特尔(Intel),尽管晶圆厂鼓励设备厂投入18寸晶圆技术研发,然设备厂完全看不到投资报酬率,一旦计划失败恐导致营运困顿,使得各家设备大厂纷踩煞车。
历史上的规律是在新的晶圆尺寸上开发新的制程技术,比如200mm厂大多还停留在90nm。但目前我们完全看不到300mm厂上技术研发停止的迹象。
(图:300mm和450mm晶圆)
五、
目前在300mm上开发新一款7nm芯片的初始成本可能已经有3亿美元,那么在450mm上估计数字更恐怖。
目前市场上PC已经饱和,手机也接近饱和,新的应用如IOT等还相对较弱。在整个半导体业不景气时,巨额投资月产几万片450mm的晶圆厂,如何消化产能也是个很现实的问题。
也许,真的要等到摩尔定律走到物理极限和遍地都是机器人的时代,我们才有机会重新看到450mm的启动。
鲁晶半导体
济南鲁晶半导体有限公司是一家以半导体二、三极管、MOS管、碳化硅功率器件研发、生产、销售为主导的国家级高新技术企业,中国半导体行业协会理事单位,山东半导体商会(联盟)副会长兼秘书长单位,ISO9001:2015质量管理体系和ISO14001:2015环境管理体系认证企业。总部位于济南市高新区飞跃大道2016号创新工场,在深圳和苏州设有办事处,为周边客户提供半导体二、三极管的销售与技术支持。
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