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產業
多少年來，半導體業以遵循摩爾定律的技術發展為首要原動力。在摩爾定律推動下，生產成本不斷下降，也帶來了技術革新。為了提高產品的生產效率和利潤，晶圓尺寸的擴大和晶片線寬的減小是積體電路產業技術進步的兩條主軸。有數據說明，目前一代晶圓變成主流，支撐大約 40% 的總產能時（從而可以維持健康的產能組合，成本足以支持不同的應用），新一代晶圓就會開始。然而，目前世界上晶片的產能超過 70% 是 12 吋晶圓，第一條 12 吋Fab線迄今已近二十年，我們卻尚未看到下一代 18 吋晶圓廠的出現。那麼， 18 吋晶圓的計劃為什麼胎死腹中？
18 吋晶圓是什麼？
一般來說，半導體產業每十年升級 fab 架構來增加晶圓直徑，而同時工藝製程則是保持在每兩年一個節點的速度。隨著奈米尺度逼近物理極限，工藝節點的技術進步已經放緩，晶圓尺寸的增加變得越來越重要。晶圓尺寸越大則每片晶圓上可以製造的晶片數量就越多，從而製造成本就越低。
晶圓尺寸從早期的 2 吋（50mm）、 4 吋（100mm），發展到 6 吋（150mm）、 8 吋（200mm）和 12 吋（300mm），大約每 10 年升級一次。1991 年業界開始投產 8 吋晶圓， 2001 年左右起步向 12 吋晶圓過渡，依次類推，ITRS （國際半導體技術發展路線圖）和摩爾定律都認為， 2010 年之後逐漸開始邁向 18 吋晶圓。
當時，英特爾（Intel, INTC-US）、三星和台積電（ 2330-TW ）等產業巨頭都表示了肯定態度，為 2012 年過渡到 18 吋而做著準備，與製造設備、材料廠商開展協商以便供應設備和材料，同時進行有關標準化方面的工作。他們設想向 18 吋過渡就像以往向 12 吋過渡一樣，可以增加向用戶提供的價值，生產率翻倍。
200mm 晶圓到 300mm 的遷移，曾經讓單位電晶體成本突破摩爾定律，產生了躍變。這也很好理解，越大的晶圓就能夠切割出更多的Die（把晶圓切割為若干個小的單位，就是Die），從而大大降低單電晶體的價格。據統計，每次提升晶圓尺寸，產出Die的數量至少提高一倍。
18 吋晶圓積極研發
早在 2004 年，在晶片聯盟 International Sematech 主辦的全球經濟研討會上，時任美國應用材料公司常務董事 Iddo Hadar 發言說：「半導體產業在向 18 吋晶圓方向前進， 18 吋晶圓廠將在 2011-2015 年出現。」2007 年，ISMI （國際半導體技術製造協會）強調，在摩爾定律的指引下，未來生產成本需要降低 30% ，產品生產週期需要改善 50% ，而這種需求只有過渡到 18 吋晶圓尺寸才能做到。
在業界的一致推崇和引導下， 2008 年英特爾宣布與三星、台積電達成合作協議，將在 2012 年投產 18 吋晶片晶圓，預計會首先用於切割 22nm 工藝處理器。英特爾相信，從 12 吋晶圓到 18 吋的遷移將使每個晶圓的晶片數量增加一倍以上。英特爾、三星和台積電計劃與整個半導體產業合作，確保所有必需的零件、基礎設施、生產能力都能在 2012 年完成開發和測試，並投入試驗性生產。
這個藍圖被寫入到 2009 和 2010 年的ITRS （半導體協會技術發展路線圖）中，但是 2012 年的ITRS被重新修改，原定計劃目標全部延遲 2 年。根據 2012 年ITRS規劃， 18 吋晶圓尺寸生產材料及設備製造商，應當在 2013-2014 年形成生產能力，並提供相應設備給IDM和Foundry。
在 2011 年Semicon West會議上，過去一直對 18 吋規格轉換沒什麼好感的半導體設備廠商，在各方的勸說下，也已經慢慢轉變了對其的態度，並做出了一些有實質性意義的轉變動作。比如應用材料公司表示將在 18 吋項目上的投資將超過 1 億美元規模；量檢具廠商KLA Tencor便推出了其可適用於 18 吋晶圓的檢驗用工具Surfscan SP3 ； 18 吋晶圓製造用光刻設備的兼容性的問題也有望得到暫時的解決，光刻廠商會推出一些臨時的解決方案以應對光刻機與 18 吋規格晶圓兼容的問題。
也是在這一年，新上任的紐約州州長Andrew Cuomo力主搞個大政績，邀請晶片五強：IBM（IBM-US）、英特爾、格芯、台積電和三星在紐約州研發下一代晶片技術，大家表態投資 44 億美金推進 18 吋，這就是全球 450 聯盟（ G450C ），並於美國紐約州Albany設立了 18 吋晶圓技術研發中心。
18 吋聯盟成立後， 18 吋晶圓世代的技術和機台設備有不少方針已開始確立，是半導體產業邁入 18 吋晶圓世代的重要里程碑。這個聯盟的關鍵基礎是紐約州立大學理工學院的實力和IBM微電子大本營多年在該州的耕耘，還有紐約州承諾的政府補貼。期間，Cuomo還拉著尼康（Nikon, 7731-JP ）共同出資 3.5 億美元搞 18 吋沉浸式光刻機。
實際上，除了 G450C 聯盟之外，歐盟在更早時候搞過一個 EEMI450 的合作計劃，以色列也搞過一個 Metro450 ，共計三個聯盟來推動 18 吋晶圓的進展，目標是可互用研究結果，減少重複性的實驗。除此之外，半導體製造技術戰略聯盟（SEMATECH）和國際半導體產業協會（SEMI）等也在推動全球產業鏈的合作研發，期望晶圓直徑的增大牽動整個產業鏈帶來的改變。
18 吋晶圓暫緩研發
然而所有的計劃都沒有使 18 吋晶圓成功。自 2014 年開始， G450C 聯盟出現暫緩研發 18 吋晶圓的跡象。英特爾其實是最積極推進 18 吋的公司。但事不湊巧， G450C 期間（ 2011-2016 ）剛好是英特爾搞 14nm Broadwell的時間，被用到極限的DUV光刻機和複雜的FinFET使得英特爾當時良率非常低，路線圖各種延誤，沒有心思再去關注 18 吋晶圓。英特爾在 2014 年的撤退被認為是 18 吋晶圓消亡的一個關鍵時刻。
而無心硬體的IBM把半導體部賣給了格芯，但格芯並沒有足夠的錢去搞 18 吋這麼大的工程，最後白白損失了一大筆之前的投入。針對這種情況，SEMI和ISMI （美國國際半導體技術製造協會）於 2014 年設立了一個EPWG設備生產率工作組，對過渡 18 吋晶圓問題進行了研究，得出的明確結論是——「此非其時」。
在 2014 年英特爾退出兩年後，台積電也悄悄退出了 G450C 聯盟。多年以後，在回顧台積電放棄 18 吋晶圓的原因時，前台積電營運長蔣尚義在接受採訪時說道：
「當年，英特爾是推動轉向 18 吋晶圓的主要推動者，因為它認為這是獲得市場優勢的另一種方式。 18 吋會將業內小玩家擠出市場，鞏固巨頭地位。台積電之所以不推廣 18 吋晶圓技術，原因是台積電在 300mm 晶圓上已成功擊敗了許多較小的競爭對手，建立了領先優勢。但如果到 18 吋，就會直接與英特爾和三星展開競爭。
英特爾和三星都擁有比台積電更多的工程師，而且還有更多的收入可以利用，這將有助於兩家公司在 18 吋生產上的投資比台積電要多。所以，進軍 18 吋根本不會幫助台積電，反而會佔用台積電太多的研發人員，削弱其在其他領域追求技術進步的能力，實際上會對公司造成潛在的傷害。」
整體而言，業界對 18 吋晶圓進程自開始就有不同的看法，除了上述廠商的猶豫不決和無暇分心之外，其中最為關鍵的半導體設備供應商，包括如應用材料、 ASML 等也缺乏積極性，理由是 18 吋設備不是簡單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對於設備進行重新設計，因此面臨著經費與人力等問題，更多的擔心是未來的市場，能否有足夠的投資報酬率。
當時的 ASML 也正在 EUV 光刻機中掙扎，光源效率等問題一直拖後量產的時間表，資金壓力使 ASML 率先宣布退出 18 吋合作。雖然有尼康的光刻機支援，但是如果 18 吋整體良率和效率並不能顯著提升的話，成本並不會比 12 吋低。所以，關於 18 吋晶圓的聲浪看似此起彼伏，但大多數產業鏈廠商實際上都是雷聲大雨點小。
如今，工藝製程都發展到了 3nm ，卻仍未見到 18 吋晶圓的身影，甚至都沒有看到產業廠商在 18 吋晶圓上的規劃。歸咎其原因，無外乎成本、良率、產業鏈配套等方面不足。
18 吋晶圓遇到哪些挑戰？
18 吋晶圓研發成本
商人往往是無利不起早的，既然 18 吋能夠降低Die的成本，那大家為什麼不積極佈局呢？18 吋晶圓已經被證明是一個「海市蜃樓」，在業界放棄這個想法之前，已經做了大量的開發工作，成本問題成為企業紛紛退出的關鍵因素。晶圓代紀遷移的成本是巨大的。據推算，從 150mm 到 200mm 花了大約 6 年，花費將近 15 億美金；而從 200mm 到 300mm 則花了近 10 年時間，投入了 116 億美金，成本幾乎上漲了近 8 倍。而要進化到 18 吋，將耗費設備商們超過 1,000 億美元的巨額研發成本。
同時，設備成本和時間成本減緩了晶圓尺寸邁向 18 吋的腳步。雖然 18 吋晶圓的面積是 300mm 的 2 倍多，但生產時間上要遠大於 2 倍時長。SEMI曾預測每個 18 吋晶圓廠將耗資 100 億美元，但單位面積晶片成本只下降 8% 。高額的資金壓力，以及並不顯著的良率和效率的提升，使得產業減緩了向 18 吋邁進的步伐。
然而資金問題並不是 18 吋項目面臨的唯一難題。 18 吋規格轉換的時間點，與節點製程與 EUV 光刻技術升級的時間點相互撞車則是另外一個不確定負面因素。
18 吋晶圓良率問題
且不說是否有合適的經濟模型來模擬 18 吋的各種設備成本增加，以及各種生產效率和使用率，每一步的良率都是極其不可預測的變量。從原理來看，晶圓是由矽錠加工而成的，透過專門的工藝可以在矽晶晶片刻蝕出數以百萬計的電晶體，被廣泛應用於積體電路的製造。
假設晶圓本身工藝沒問題且同種晶片的良率穩定，那麼晶圓直徑越大，晶圓利用率就越高，可產出的晶片數就越多，每個晶片的成本也就越低。這也是晶圓廠向更大直徑晶圓製造技術發展的原因。但實際中，晶圓尺寸越大，對微電子工藝、設備、材料的要求也就越高。因為約 75% 的矽晶片採用直拉法（柴可拉斯基法）進行生產，在結晶過程中，直徑越大，可能由於旋轉速度不穩定導致晶格結構缺陷的可能性越大。
同時，晶圓直徑越大就意味著重量越大，邊緣處就更容易出現翹曲的情況。因此，晶圓越大，良品率越低，晶圓單位面積成本越高。因此，透過增大晶圓尺寸降低的成本不能彌補大直徑導致晶圓不良率增加成本的時候，選用更大尺寸的晶圓進行生產就變得不經濟。
18 吋晶圓產業鏈整合
從產業規律來看，向更大晶圓尺寸進軍，給較小的市場玩家設置了進入壁壘。從晶片製造廠商方面看，大約有 130 家公司擁有 6h吋晶圓廠，而擁有 8 吋晶圓廠的公司不到 90 家，擁有 12 吋晶圓廠的公司只有 24 家。
因為 18 吋晶圓涉及到整個產業鏈上下游的巨大變化，總投入是千億美元量級的，半導體業界再也沒有一家企業能夠獨家製訂標準和承擔風險。知乎博主「老狼」曾表示，如果投入一個 18 吋的FAB， 成本將超過 100 億美金，只有少數公司能承擔得起一座 18 吋工廠，這將帶來更大的兩極分化現象。
總體來看，遷移到新的晶圓尺寸平台需要半導體供應鏈的上下游合作，會牽涉到整個產業鏈的資源調配，研發以及一體化行動，幾乎所有工具都需要重新研發、投產和試運作。設備市場也越來越集中，前 10 家供應商所佔據的市場佔有率已經從 90 年代的 60% 成長到了 2000 年代的 75% 以上。為了維持晶片成本下降和產業持續成長，晶圓尺寸增大與利益相關者之間的垂直合作至關重要。
目前在 18 吋晶圓產線發展上除了資金和技術的雙重壓力，導致晶圓廠向 18 吋晶圓產線轉進速度急劇放緩的原因還在於設備廠商的意願。18 吋的工作與過去的晶圓尺寸轉換不同，在 6 吋時，英特爾是領導轉型並支付大量工作費用的公司，而在 8 吋時則是IBM。在 12 吋時，設備公司承擔了很多成本，他們需要很長時間才能收回投資。
而 18 吋的成本再次被推到設備公司身上，他們非常不願意接受這種情況。 2014 年，英特爾因利用率低， 42 號晶圓廠閒置，因此將資源從 18 吋撤下，台積電也在 18 吋上退讓，設備公司暫停開發工作， 18 吋晶圓就此「死亡」。在前車之鑑的陰影下，重振 18 吋之路並非易事。
最初 ASML 的研發計劃包括 18 吋晶圓光刻系統和 EUV 光刻機系統，在發現 18 吋晶圓的道路上行不通後， ASML 於 2013 年 11 月決定暫停 18 吋光刻系統的開發，直到看到客戶及市場在這一領域有明確的需求。目前， ASML 試圖生產足夠的 EUV 系統並將High NA設備投入生產。 12 吋的High NA EUV 系統已經非常龐大——難以運輸，製造更大的 18 吋版本將是前所未有的工程挑戰。
此外，為了維持更大晶圓的均勻性、生產性和良品率， 18 吋產線對晶圓傳送工具、單片加工設備、精密切割設備及CMP等設備提出了更高的精準度要求，要產生更大的成本。加工更大晶圓和更小的容差的設備變得更加昂貴。隨著晶圓尺寸的增大，對於系統的集成、系統的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設備製造商提出更高的要求。
可以預見，晶片製造商和設備製造商需要共同努力實現技術進步，這樣才能應對先進的小型化和晶圓尺寸成長所帶來的更大難題。只有使得晶片製造商與設備製造商同時實現雙贏，才能持續推動半導體產業的健康發展。同樣設備製造商需要投資較之前比例更多的研發費用，才能實現 18 吋晶圓苛刻的工藝及技術要求。
18 吋晶圓有機會重啟嗎？
對整個產業而言， 18 吋晶圓尺寸遷移是一個戰略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會受到供應鏈上多種產業的動態和交互影響。18 吋晶圓引進時程趨緩，主要因初期需要大規模投資，由於晶圓尺寸改變，相關設備必須配合變動，不僅需要建設新工廠，設備也需要更換，對晶圓製造廠和設備廠來說負擔不小。一旦計劃失敗恐導致較大影響，使得各家設備大廠頻踩煞車。
目前半導體產業大多轉向活用現有設備，朝微細化先進製程方向進行發展和演進。曾經的希望現在越來越渺茫，目前 18 吋晶圓離我們不但沒有變近，反倒更加模糊不清。
鑑於目前經濟和技術的種種形勢，轉向 18 吋晶圓的步伐很有可能會繼續延緩。一位來自某半導體廠商的高層稱，半導體業界絕不會減緩升級節點製程的速度，因為人們普遍認為，從節點製程的縮減中所獲取的利益，要比採用更大尺寸晶圓所獲得的成本利益更為重要。但事物總是要發展的，如今先進製程到了 3nm 甚至 2nm 以後，摩爾定律逐漸失速，不知業界是否會將目光重新聚焦到 18 吋晶圓上來。
《虎嗅網》授權轉載
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