为什么开始选择 450mm 晶圆？

为什么 450 毫米开发对英特尔（以及三星和台积电）如此重要？

几年前，英特尔和台积电开始大力宣传从当前的标准硅晶圆尺寸 300 毫米过渡到新的 450 毫米晶圆的需求。虽然许多人多年来一直致力于 450 毫米标准和技术，但直到最近，更大的晶圆才得到足够的关注和支持（更不用说政府资助），人们才相信它可能真的成为现实。虽然有很多关于需要更大晶片的讨论，但我想对整个辩论发表我的看法。

首先，有点历史。在过去的 50 年里，硅晶圆的尺寸一直在逐渐稳定地增长，从半英寸和一英寸的硅片到今天的 300 毫米直径的硅片。晶圆尺寸增长的历史原因是基于三个相关趋势：芯片尺寸不断增长，对芯片的需求不断增长，以及更大的晶圆尺寸带来的更高的芯片吞吐量（因此更低的芯片成本）。尽管芯片尺寸在大约 15 年前停止增长，但其他两个因素仍然引人注目。最后两次晶圆尺寸转换（6 英寸到 8 英寸/200 毫米，以及 200 毫米到 300 毫米）每一次都导致硅的单位面积成本（因此每个芯片的成本）降低了大约 30%。而且由于我们的行业迷恋于未来会像过去一样的想法，

但仔细看看这段历史，以及我们对未来的期待，就会发现一幅更复杂的画面。

首先，增加晶圆尺寸如何降低单位面积硅的成本？以一个工艺步骤为例——蚀刻。蚀刻工具的最大生产量由两个基本因素决定：晶圆加载/卸载时间和蚀刻时间。有了良好的工程设计，这两个时间几乎没有理由随着晶圆尺寸的增加而保持不变。因此，晶圆产量作为晶圆尺寸的函数保持不变，因此芯片随着晶圆尺寸的增加，吞吐量会提高。但是“好的工程”并不是免费的，而且对于更大的晶圆，保持蚀刻均匀性相同需要付出努力。更大的蚀刻工具也需要更多的钱来制造。但是，如果工具成本没有像晶圆面积那样快速增加，那么结果就是每个芯片的成本更低。这就是目标，也是我们追求更大晶圆尺寸的原因。

作为一个简化的例子，考虑晶圆直径增加 1.5 倍（例如，从 200 毫米到 300 毫米）。晶圆面积（以及芯片的近似数量）增加了 2.25。如果蚀刻机的成本、晶圆厂占地面积和工艺化学品的每片成本在 300 毫米处都增加 30%，那么每片芯片的成本将变化 1.3/2.25 = 0.58。因此，与 200 毫米晶圆相比，300 毫米晶圆的每个芯片的蚀刻成本将降低 42%。

虽然许多工艺步骤具有与蚀刻相同的基本缩放比例——晶圆产量几乎与晶圆尺寸无关——但某些工艺步骤却没有。特别是，光刻不会以这种方式缩放。光刻场大小（晶圆一次曝光的面积）近 20 年（自步进扫描时代以来）一直保持不变，在不久的将来增加的可能性几乎为零。此外，对于大多数光刻工艺来说，晶圆上某个点的曝光时间受到工具步进和扫描晶圆的速度的限制（因为光源提供了足够多的功率）。

与蚀刻一样，光刻工艺的总时间是晶圆加载/卸载时间加上曝光时间。加载时间可以作为晶片尺寸的函数保持恒定，但曝光时间随着晶片尺寸的增加而增加。事实上，对于较大的晶圆，由于必须移动的晶圆和晶圆台质量较大，因此需要付出很大的努力来防止扫描和步进速度减慢。而且由于晶圆装载/卸载时间只占总工艺时间的一小部分，因此光刻的结果几乎是恒定的

晶圆面积
随着晶圆尺寸的变化，吞吐量（而不是恒定的蚀刻晶圆吞吐量）。

光刻产量缩放的一个重要但经常被忽视的后果是，晶圆尺寸的每次变化都会导致由光刻引起的晶圆成本比例的增加。在 6 英寸晶圆时代，光刻技术约占芯片制造成本的 20% 至 25%。向 200 毫米（8 英寸）晶圆的过渡降低了除光刻以外的所有工艺步骤的（每芯片）成本。结果，每芯片的整体加工成本下降了大约 25 – 30%，但每芯片的光刻成本保持不变，因此成为芯片制造成本的 30 – 35%。

向 200 毫米晶圆的过渡使晶圆面积增加了 1.78 倍。但由于光刻技术在较小的 6 英寸晶圆尺寸中仅占芯片成本的 25%，因此该面积的改进影响了 75% 的芯片成本，并使总成本下降了 25% 至 30%。向 300 毫米晶圆的过渡带来了更大的 2.25 倍面积优势。然而，这种优势只能应用于非光刻成本的 65%。结果再次使每芯片的整体处理成本降低了 30%。但转型后，在 300 毫米晶圆上，光刻技术约占芯片制造成本的 50%。

每次晶圆尺寸增加时，光刻对制造芯片的总成本的重要性就会增加。

下一个晶圆尺寸转变存在一个大问题。每次晶圆尺寸的增加只影响非光刻成本，但由于晶圆尺寸的增加，这些非光刻成本正在成为总成本的一小部分。即使我们可以在 300/450 过渡中实现与 200/300 过渡相同的非光刻步骤成本节约，其总体影响也会较小。我们可能最多只能看到成本下降 20%，而不是希望每芯片成本降低 30%。

所以我们必须把目光放低：过去的晶圆尺寸转换给我们带来了 30% 的成本优势，但 450 毫米晶圆只会给我们带来比 300 毫米晶圆高 20% 的成本优势。这够好吗？如果一切顺利，它可能会。但是上面的分析适用于一个正在迅速消失的世界——单图案光刻的世界。如果今天有 450 毫米晶圆工具，也许可以节省 20% 的成本。但是缩小特征尺寸需要使用昂贵的双图案技术，因此光刻成本正在增长。它们在每个芯片的基础上增长，并且只占总成本的一小部分。随着光刻成本的上升，更大晶圆尺寸的好处会下降。

考虑一个潜在的“最坏情况”情景：在过渡到 450 毫米晶圆时，光刻占制造芯片成本的 75%。我们还假设改用 450 毫米晶圆不会改变每个芯片的光刻成本，但会将其余成本降低 40%。结果？每芯片成本总体下降 10%。450 毫米开发所涉及的投资和努力是否值得降低 10% 的制造成本？这种成本降低是否足以抵消不断上涨的光刻成本并保持摩尔定律的存在？

也许我最坏的情况太悲观了。五六年后，当一套完整的 450 毫米工具组可能准备就绪时，光刻机会是什么样子？在一种情况下，我们将使用 EUV 光刻进行双重图案化。有人真的相信这将与单模式 193 沉浸式的成本相同吗？我不。如果改用 193 浸四重图案呢？同样，唯一合理的假设是光刻占芯片生产成本的 50% 以上。

那么我们能得出什么结论呢？如果一切顺利（这是一个很大的假设），向 450 毫米晶圆的过渡将给我们带来不到 20% 的成本改进，甚至可能低至 10%。尽管如此，大公司（英特尔、台积电、IBM 等）一直在说 450 毫米晶圆将带来 30% 的成本改进。为什么？下一次，我将给出我的四分卫分析，看看大个子在做什么。

作者：克里斯·麦克