關于４５０ｍｍ晶圓生產線的爭論

要不要建450mm晶圓生產線?

不斷縮小芯片的特征尺寸和不斷擴大晶圓的直徑是推動半導體產業前進的兩大輪子。當今，第一個輪子正處于45nm芯片量產的位置，并正在向32nm芯片前進，第二個輪子正處于300mm晶圓量產的階段，并正在向450mm進軍。目前全球300mm晶圓生產線到底有多少條?由于統計渠道不同，略有差異。(1)據2008年1月(《電子產品世界》報道，全球600條IC生產線中，產能主要集中于200/300mm生產線，至2007年底，200mm生產線190條，300mm生產線60條。(2)據2008年2月(《SI China》報道，全球300mm生產線(含在建)81條，其中臺灣地區22條，美國21條，日本15條，韓國9條，中國8條，歐洲5條，新加坡1條。(3)據2007年8月SEMI預測，至2008年底全球300mm生產線73條，其中25條為2008年新增，月產超過620萬片。

關于要不要建450mm晶圓生產線的意見迥然不同。同意的理由是，增大晶圓尺寸是降低芯片成本的有效辦法。堅持要建450mm生產線的急先鋒是英特爾，吹鼓手是臺積電。2007年11月IC Insights預測將有15家芯片廠參與450mm技術競爭，較早表態的有5家，如英特爾、臺積電、三星電子、東芝和海力士，最終會參加的有力晶半導體、奇夢達、茂德科技、爾必達、南亞科技、臺聯電、Micro、中芯國際、特許和IBM等。IC Insights總裁Bill Mcclean認為：“生產450mm產品是必然的方向，450mm晶圓只是到來的時間問題，而不是是否會到來的問題”。他又說：“是否采用450mm晶圓制程的底線和發展該技術的成本不會聯系在一起，在現有的基礎上采用450mm技術的成本絕對是非常高的”。他還認為：“在下一個10年中，450mm晶圓將在IC行業中具有空前權力和影響力”。

否定的意見是，2007年4月成本管理軟件與咨詢公司Wright WilliamsKellytm(wwk)在調查450mm晶圓廠項目中指出，有近40％的人認為450mm晶圓廠永遠不會出現。早在2005年，也有一些人認為，450mm晶圓廠永無見天日的機會，300mm晶圓將成為IC工業最后的晶圓尺寸。

何時建450mm晶圓廠?

關于何時建成450mm晶圓廠也有兩種不同的意見，一種是2012年前后，另一種是2020年以后。

從晶圓尺寸發展歷史看，大約每10～11年會發生一次晶圓尺寸的轉移，200mm量產約在1990年，300mm在2001年左右，預測450mm的量產時間大概在2012年前后。美國應用材料常務董事Iddo Hadar表示：“全球半導體產業正向450mm晶圓方向前進，除非經改變其行為方式，它將于2011～2015年出現。收回450晶圓的投資是可能的，但其周期將長于企業和管理層的壽命”。英特爾支持ISMI(國際半導體技術制造協會)450mm的項目經理Tom Abell認為：“只要能像歷史上的每次晶圓尺寸轉移那樣獲得生產力提高等好處，那么2012年將是ITRS(國際半導體技術藍圖)預測轉向450mm的合適時間點”。WWK公司在“預測450mm晶圓廠問世時間”調查中，最常見的回答是2013年或更晚。2008年1月英特爾在半導體產業策略研討會(ISS)上表示：在2012年左右建成450mm晶圓廠。英特爾CEo PaulOtellini表示，英特爾在2012年向450mm生產線過渡，并將與半導體設備廠共同向這一技術轉移，如應用材料、日立、尼康等。并且最早在2014年開始利用450mm晶圓進行少量生產，并希望與三星電子、臺積電、東芝等大型半導體廠進行只作。臺積電認為，全球300mm晶圓將于2012年達到整體產業的50％，同時450mm將正式啟動，并進入試產階段。臺積電將于2010年使用450mm晶圓，與英特爾、三星一起成為全球最新世代的領導廠。

另一種意見是2020年以后，VLSIResearch總裁Risto Puhakka警告說：“IC設備開發費用的飛漲，可能使下一代450mm晶圓廠的出現將延后到2020-2025年之間，比現有進度延緩10年以上”。2008年1月在ISS會上，VLSI Research CEOG.Dan Hutcheson說：“450mm晶圓將會出現，人們開始著手研究處理問題，但從來不相信2012年就會出現，可能在2020～2025年左右出現”。IC Insights總裁BillMcclean認為：“450mm技術可能至少需要10年才能完成，在2015年之后，450mm晶圓制程將在行業內確定主要IC生產商的支配地位”。

當前研發450mm晶圓技術的動向

英特爾于2006年成立450mm晶圓小組。2006年10月在ISMI研計會上，英特爾Mike Goldstein雙手舉著一枚450mm晶圓(圖1)，并介紹了450mm的初始材料，他強調硅供應鏈、材料加工、表征設備和晶圓規格標準化等方面的挑戰，其中最大挑戰來自CE直拉機，由于提拉速度慢，導致生產力下降，硅襯底成本增加。去年7月日本日礦金屬表示已開始供應多晶硅450mm晶圓樣品。

臺積電于2006年對450mm晶圓的研發進行投資。2007年4月臺積電對450mm晶圓進行評估，臺積電將投資80～100億美元建造450mm晶圓廠。由于450mm晶圓的投資是300mm的3倍，所以臺灣地區產業經濟業資訊服務中心(IEK)認為，臺灣地區能投資建得起450mm的公司是臺積電、力晶半導體、南亞科技、茂德科技。預計未來臺灣450mm晶圓廠的產量將超過300mm。今年1月臺灣地區經濟部門啟動下世紀工作計劃，籌組450mm晶圓制程聯盟，招募臺灣地區半導體上下游廠加入，未來將積極參與國際標準的制定，爭取ISMI來臺灣設立450mm晶圓試產線。

ISMI于2006年一季度成立450mm晶圓工廠體系結構、工廠模擬、初始材料和經濟分析4個焦點小組，10月在ISMI制造效率研討會上，這些小組分別報告了他們的最新工作進展。2007年7月在Semicon West會上，ISMI啟動450mm項目，在2007年組織討論新450mm計劃，并將在2008年達到以下目標：確保450mm硅晶圓的有效性；發展450mm工程整合指導和標準；建立450mm工廠集成原型測試平臺。2007年11月在夏威夷召開的ITRS下屬ITPC(半導體行業國際會議)上正式將450mm晶圓作為會議基本議題。看來，450mm將逐步納入ITRS的規劃中。2007年10月全球半導體制造聯盟Sematech準備建一家工廠綜合實驗臺“制造廠，以推動450mm設備的發展，工廠將建于美國德克薩斯州奧斯汀市，計劃造450mm交互式實驗臺。

誰為研發450mm晶圓設備買單?

眾所周知，研發300mm晶圓設備的買單都是由設備廠自掏腰包。可是，研發450mm設備情況就不同了，因為投入太大，設備廠不再愿意單方承擔風險，要與芯片廠共擔風險。WNK公司副總裁Daren Dance明確表示：“考慮到300mm晶圓未能在預期時間段內推出的歷史，以及它對供應面的可怕影響，很容易看出為什么設備廠非常關心誰為晶圓尺寸的再次擴大(450mm)買單?”VLSI Research總載Risto Ruhakka認為：“如果系統研發成本遵循同樣昂貴的300mm時代的指數曲線，則設備工業將無法負擔450mm廠所需加工設備的開發費用。在這種情況下，總體IC設備業將耗費1020億美元用于450mm設備，而目前還不清楚，誰將為研發450mm設備買單?“2005年9月日本東京電子(TEL)CEO TetsuroHigashi在國際半導體制造論壇(ISSM)會上直言不諱地指出：”研究450mm晶圓的IC設備買單應由雙方來共同承擔，雙方分享風險和利潤。他呼吁設備廠與芯片廠必須加強合作，共同承擔越來越多的研發成本，在開發下一代設備期工藝和晶圓尺寸方面要避免過去(指300mm設備)的錯誤，合作將幫助產業避免過去的錯誤。

為此，去年10月全球頭號IC設備廠應用材料表示：“目前內部沒有任何450mm晶圓廠設備的研發計劃，而300mm晶圓廠在經濟規模、良率、效能、生產力都有極多的改進空間”。

450mm晶圓規模標準

在去年7月SemiconWest會上，討論了450mm晶圓規格標準，推薦厚度比300mm厚50gm，達825gm，這是為了保證制造和加工過程中晶圓的完整性。由于450mm晶圓直徑/厚度比的增大，將加大熱處理過程中晶圓的滑落和破裂風險，該風險來自溫度梯度和重力帶來的應力。另外，晶圓的彎曲性在制造過程中的退化，會給光刻、退火多個制程帶來麻煩。為此，450mm設備必須全自動化。關于450mm晶圓一批的數量問題也進行了討論，一批是25枚好還是13枚好。

由此看來，建造450mm晶圓生產線是大勢所趨，最早建成450mm晶圓廠的時間是2012年左右，由于建一座月產12～15萬片的450mm晶圓廠需投資120～150億美元，所以450mm晶圓技術、建廠、量產等方面都需要多方合作，甚至建立聯盟，包括芯片廠、設備廠、材料廠、化工廠等，只有這樣，才能加速450mm晶圓前進的步伐。