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                400萬+工程師在用

                400萬+工程師在用

                一座就要百億美元,晶圓廠為何這么貴?

                Simon觀察

                描述

                電子發燒友網報道(文/黃山明)近期,中芯國際、三星甚至TI都爆出想要建設晶圓廠的消息,此前,英特爾、臺積電等大廠也都確認將要新建晶圓廠。市場中的缺芯行業,不斷刺激著各大晶圓廠的神經,讓各個地區的晶圓廠都開始立項、建設直至量產,這也成為未來幾年的主旋律。
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                嚴苛的制造環境
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                那么如果要投資建設一座晶圓廠,需要做哪些準備呢?
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                首先,由于芯片半導體加工屬于精密制造,對于環境的要求極高,尤其如今芯片制程在納米級別,一些小的污漬或者灰塵就可能導致晶圓報廢。因此對于晶圓廠而言,無塵間或者叫凈化間是必須的。
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                并且因為芯片制造的精密性,通常晶圓廠的無塵間級別甚至要比尋常的手術室嚴格數十倍,將空氣中的雜志與灰塵盡可能隔離出廠間。
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                污染物除了尋??梢姷幕覊m顆粒、金屬雜質或者沾污以外,還有自然氧化層、靜電等。為了防止這些意外的因素對晶圓制造造成干擾,進入無塵間的工作人員都會穿上超凈服,完全將自己包裹住。
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                同時在進入無塵間之前還需要經過一條空氣洗滌通道,盡可能去除工作人員身體帶來的雜質與污染。而超凈服也能最大程度避免靜電,讓干擾降至最低。
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                而在無塵間中,對于工作人員的移動速度也做了限制,不能走動太快,需要緩慢移動,防止氣流被破壞。外來的風氣也必須經過濾網處理,避免有灰塵進入,不同的工藝對于無塵的要求也不相同。
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                此外,制造晶圓時,還需要使用到大量的高質量、超純去離子水。通常這些去離子水會通過管道連接進入車間,并且用于晶圓蝕刻環節上。
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                高度的無塵要求,大量的去離子水,對外部空氣進行過濾,甚至要盡可能避免工作人員太多的走動。這就需要晶圓廠進行更合理的布局,來提升生產良率,而這些要求也進一步提升了晶圓廠的成本。
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                比如前段時間中芯國際便計劃投資約88.7億美元,建設月產能10萬片12英寸晶圓廠。英特爾今年3月份也宣布將投資200億美元建設2座先進工藝晶圓廠,并且決定未來10年在歐洲地區建設8座晶圓廠,投資金額高達950億美元。顯然,如今的先進工藝晶圓廠平均價格甚至達到了近百億美元。
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                復雜的流程與昂貴的設備
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                除了對工廠車間環境的嚴苛要求外,晶圓制造的具體環節還需要提供大量的相關設備。首先是EDA軟件,將芯片半導體的設計通過EDA完成,然后交由晶圓廠進行制造。這一步通常是由需求方來提供,比如許多的Fabless企業都會通過EDA完成芯片設計后,再找到晶圓廠下達訂單。
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                拿到圖紙后,便進入到晶圓的制備環節。而晶圓的原材料便是高純度的硅,但自然界并沒有這種材料,企業需要從沙子當中進行提純,通常是將砂石原料放入一個溫度超過兩千攝氏度的電弧熔爐中,在高溫下發生還原反應得到冶金級硅,然后將粉碎的冶金級硅與液態氯化氫反應,生成液態的硅烷,再通過整流和化學還原工藝,得到高純度的多晶硅。
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                除了硅作為積體電路的主要材料外,還需要加入一些砷、磷、硼等元素,來改變硅材料的導電能力與特性。最后還需要將多晶硅溶解,通過速度拉成圓柱狀的單晶硅晶棒,最后切割得到晶圓。有了硅晶圓,才真正進入到集成電路的制造流程當中。
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                制造集成電路的流程,首先要將晶圓放在爐管中,通過高溫反應在硅晶體上形成一層硅氧化物,為之后的打磨和刻蝕做準備,這里需要相應的高溫設備。隨后再將相應的例子植入進晶圓的特定區域中,改變晶圓在特定區域的導電或者不導電性。
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                然后通過化學氣相沉積,利用CVD將反應氣體生成固態,沉積在晶圓的表面,形成一層薄膜。
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                再之后,在晶圓表面涂上一層光刻膠,成為光阻,將晶圓放在光下進行曝光,讓晶圓的表面一部分曝光,一部分沒有曝光,這個步驟需要用到光刻機。全球最大的光刻機生產商為荷蘭的ASML,一臺EVU光刻機售價甚至達數億美元。
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                曝光完成后,就需要進行蝕刻,通過蝕刻機將曝光的區域進行蝕刻,形成紋路。然后通過PVD設備在晶圓上覆蓋一層銅離子,將晶體管連接起來,銅離子會沉積在晶圓表面,最后將多余的銅拋光掉。
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                以上的這些步驟,需要多次重復,每一層都能實現不同的功能,通常一個芯片包含幾十層結構,這意味著制造晶圓也需要重復數十次以上。
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                再將芯片從硅片上裁剪下來,成為一個獨立的芯片,繼續對每個芯片進行測試,測試合格的產品將進行最終的封裝。
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                粗略估算下來,芯片的制造步驟超過上千步,建設每一步的合格率達到99.99%,那么經過數千步之后,晶圓的良率甚至可能接近于0。而芯片的制造整體良率需要達到90%以上才會量產,這樣才能保證不會虧本。
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                那么一塊12寸晶圓能夠生產多少芯片呢,以一顆長寬均為10.5mm的芯片為例,完美生產的話,一塊晶圓可以生產650顆芯片左右,不過考慮到良率,最終成品將在550顆左右。
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                以上這些還只是晶圓廠的硬件成本,還沒有算上人工成本、研發成本以及其他成本,這也就解釋了,為什么一座先進的晶圓廠需要投資上百億美元才能建設。
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                評論(1)
                發評論
                chiplet 2小時前
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                封裝現在是工業很重要的一塊 收起回復

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