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为什么WAFER晶圆有不同尺寸



晶圆是半导体的薄片,例如晶体硅 (c-Si),用于制造集成电路。简单来讲,晶圆就是硅做的硅晶片,因为是圆形的,称为晶圆,它主要用于硅半导体集成电路。


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那晶圆是怎么来的?又怎么被制造出来的?其实最初的来源是沙子,沙子里含有用之不竭的二氧化硅,后续就考虑用提纯硅来作为半导体材料。高温氧化(炭源来发生化学反应)、提纯(氯化反应,生成液体硅烷),制成高纯度的多晶硅,纯度高达99.999999999%,然后经过处理(旋转拉伸),做成圆柱形晶棒,用金刚石切成片,就做成了晶圆。后续的过程就是属于芯片制造的过程了,光刻(光刻胶)、离子注射、电镀、抛光、切片,然后再测试封装。

那平常经常提到的300mm/450mm、8英寸/12英寸晶圆,又是什么意思呢?

其实很好理解,这里的数据表达的都是晶圆的尺寸或直径,而毫米和英寸只是不同的计量单位而已。而尺寸或直径越大,代表晶圆越大,产出的芯片数量也就越多。

1 英寸(25 毫米)

2 英寸(51 毫米)

3 英寸(76 毫米)

4 英寸(100 毫米)

4.9 英寸(125 毫米)

150 毫米(5.9 英寸,通常称为“6 英寸”)

200 毫米(7.9 英寸,通常称为“8 英寸”)

300 毫米(11.8 英寸,通常称为“12 英寸”)

450 毫米(17.7 英寸)

675 毫米(26.6 英寸)


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从1960年推出1英寸的晶圆,后来1992年推出8英寸晶圆,再到2002年推出了12英寸的晶圆,目前在450mm尺寸 晶圆的过渡上仍有相当大的阻力,且它的成本预计在300mm的4倍左右。

那晶圆的尺寸和可制作出来的芯片的数量又是怎么样的关系呢?打个比方,一个300mm的晶圆,能造出多少颗芯片?

这个要取决于芯片的大小,芯片越大,数量越少,芯片小的,数量就多。假如这个芯片的尺寸是16mm*16mm,那就有263个。如果集成电路是 8 mm x 8 mm,那么大约有 1052 个。


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当然这个也与工艺相关,不然大家也不会追求最小nm数了。英特尔Itanium 2处理器(2002),包含2.21亿个晶体管,采用 180 nm 工艺制造,尺寸为19.5mm x 21.6mm(421 平方mm)。而2020年发布的14nm的 i9-10900K 处理器的裸片尺寸为9.2 mm x 22.4 mm,面积为 206 平方毫米,晶体管数量为 120 亿个。
另一个注意事项是,对缺陷的处理,假设芯片上任何地方的缺陷都会导致该芯片无法使用(事实上,单个的缺陷并不一定会破坏芯片的使用,因为会有一些熔断器会禁用RAM,会有替代它们位置的部分),稍大的尺寸会提升良率,以弥补不足。
12英寸和8英寸差别在哪里?
集成电路的发展有两条技术主线,一条是晶圆尺寸的扩大,一条是芯片制程技术的提升。从6英寸到8英寸、从8英寸到12英寸,晶圆尺寸的增大能够有效降低成本。硅片尺寸越大,单个硅片上可制造的芯片数量就越多,单位芯片的成本随之降低。12英寸晶圆较8英寸晶圆相比,其面积上提升约2.23倍,就单硅片产出来看,8英寸晶圆产出芯片88块,而12英寸晶圆产出芯片则达到232块。
另外随着制程的不断缩小,芯片制造工艺对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度也在不断降低。由于硅片边缘部分存在不平整和大量缺陷,在使用晶圆制造器件时,实际可以利用的是中间部分,由于边缘芯片减少,使用12英寸晶圆的产品成品率将上升。
下游的终端应用不同,对于不同尺寸硅片的需求也有所差异。8英寸下游应用以工业、手机和汽车为主,其中工业占比25%,手机占比19%,汽车占比18%,主要包括功率器件、电源管理芯片、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等。
全球晶圆厂在2015年-2020年扩产不足,尤其是成熟制程。当时,台积电采取折旧策略,在设备折旧完成后即对成熟制程降价以打击竞争对手,导致8英寸晶圆的成熟制程利润有限。因此,晶圆产能整体呈现出由8英寸向12英寸转移趋势。
根据IC Insights统计,2009年-2020年,全球一共关闭了100座晶圆代工厂,其中8英寸晶圆厂为24座,占比24%,6英寸晶圆厂为42座,占比42%。
目前8英寸晶圆生产设备主要来自二手市场,价格昂贵且数量少,如蚀刻机、光刻机、测量设备,设备的稀缺同样钳制着8英寸晶圆产能的释放。8英寸晶圆通常对应90nm以上制程,在这些制程下生产的功率器件、CIS、PMIC、RF、指纹芯片以及NOR Flash等产品产能被明显限制。