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一座就要百亿美元,晶圆厂为何这么贵?

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2021-09-14 13:18:14

近期,中芯国际、三星甚至TI都爆出想要建设晶圆厂的消息,此前,英特尔、台积电等大厂也都确认将要新建晶圆厂。市场中的缺芯行业,不断刺激着各大晶圆厂的神经,让各个地区的晶圆厂都开始立项、建设直至量产,这也成为未来几年的主旋律。

严苛的制造环境

那么如果要投资建设一座晶圆厂,需要做哪些准备呢?

首先,由于芯片半导体加工属于精密制造,对于环境的要求极高,尤其如今芯片制程在纳米级别,一些小的污渍或者灰尘就可能导致晶圆报废。因此对于晶圆厂而言,无尘间或者叫净化间是必须的。

并且因为芯片制造的精密性,通常晶圆厂的无尘间级别甚至要比寻常的手术室严格数十倍,将空气中的杂志与灰尘尽可能隔离出厂间。

污染物除了寻常可见的灰尘颗粒、金属杂质或者沾污以外,还有自然氧化层、静电等。为了防止这些意外的因素对晶圆制造造成干扰,进入无尘间的工作人员都会穿上超净服,完全将自己包裹住。

同时在进入无尘间之前还需要经过一条空气洗涤通道,尽可能去除工作人员身体带来的杂质与污染。而超净服也能最大程度避免静电,让干扰降至最低。

而在无尘间中,对于工作人员的移动速度也做了限制,不能走动太快,需要缓慢移动,防止气流被破坏。外来的风气也必须经过滤网处理,避免有灰尘进入,不同的工艺对于无尘的要求也不相同。

此外,制造晶圆时,还需要使用到大量的高质量、超纯去离子水。通常这些去离子水会通过管道连接进入车间,并且用于晶圆
蚀刻环节上。

高度的无尘要求,大量的去离子水,对外部空气进行过滤,甚至要尽可能避免工作人员太多的走动。这就需要晶圆厂进行更合理的布局,来提升生产良率,而这些要求也进一步提升了晶圆厂的成本。

比如前段时间中芯国际便计划投资约88.7亿美元,建设月产能10万片12英寸晶圆厂。英特尔今年3月份也宣布将投资200亿美元建设2座先进工艺晶圆厂,并且决定未来10年在欧洲地区建设8座晶圆厂,投资金额高达950亿美元。显然,如今的先进工艺晶圆厂平均价格甚至达到了近百亿美元。

复杂的流程与昂贵的设备

除了对工厂车间环境的严苛要求外,晶圆制造的具体环节还需要提供大量的相关设备。首先是EDA软件,将芯片半导体的设计通过EDA完成,然后交由晶圆厂进行制造。这一步通常是由需求方来提供,比如许多的Fabless企业都会通过EDA完成芯片设计后,再找到晶圆厂下达订单。

拿到图纸后,便进入到晶圆的制备环节。而晶圆的原材料便是高纯度的硅,但自然界并没有这种材料,企业需要从沙子当中进行提纯,通常是将砂石原料放入一个温度超过两千摄氏度的电弧熔炉中,在高温下发生还原反应得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与液态氯化氢反应,生成液态的硅烷,再通过整流和化学还原工艺,得到高纯度的多晶硅。

除了硅作为积体电路的主要材料外,还需要加入一些砷、磷、硼等元素,来改变硅材料的导电能力与特性。最后还需要将多晶硅溶解,通过速度拉成圆柱状的单晶硅晶棒,最后切割得到晶圆。有了硅晶圆,才真正进入到
集成电路的制造流程当中。

制造集成电路的流程,首先要将晶圆放在炉管中,通过高温反应在硅
晶体上形成一层硅氧化物,为之后的打磨和刻蚀做准备,这里需要相应的高温设备。随后再将相应的例子植入进晶圆的特定区域中,改变晶圆在特定区域的导电或者不导电性。

然后通过化学气相沉积,利用CVD将反应气体生成固态,沉积在晶圆的表面,形成一层薄膜。

再之后,在晶圆表面涂上一层光刻胶,成为光阻,将晶圆放在光下进行曝光,让晶圆的表面一部分曝光,一部分没有曝光,这个步骤需要用到光刻机。全球最大的光刻机生产商为荷兰的ASML,一台EVU光刻机售价甚至达数亿美元。

曝光完成后,就需要进行蚀刻,通
过蚀刻机将曝光的区域进行蚀刻,形成纹路。然后通过PVD设备在晶圆上覆盖一层铜离子,将晶体管连接起来,铜离子会沉积在晶圆表面,最后将多余的铜抛光掉。

以上的这些步骤,需要多次重复,每一层都能实现不同的功能,通常一个芯片包含几十层结构,这意味着制造晶圆也需要重复数十次以上。

再将芯片从硅片上裁剪下来,成为一个独立的芯片,继续对每个芯片进行
测试,测试合格的产品将进行最终的封装。

粗略估算下来,芯片的制造步骤超过上千步,建设每一步的合格率达到99.99%,那么经过数千步之后,晶圆的良率甚至可能接近于0。而芯片的制造整体良率需要达到90%以上才会量产,这样才能保证不会亏本。

那么一块12寸晶圆能够生产多少芯片呢,以一颗长宽均为10.5mm的芯片为例,完美生产的话,一块晶圆可以生产650颗芯片左右,不过考虑到良率,最终成品将在550颗左右。

以上这些还只是晶圆厂的硬件成本,还没有算上人工成本、研发成本以及其他成本,这也就解释了,为什么一座先进的晶圆厂需要投资上百亿美元才能建设。

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