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半导体晶圆越做越大 压膜问题日渐突出

[发布日期:2022-11-18 13:16:07] 点击:


 

  硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm,硅片直径的历史发展趋势如图所示。

  目前生产直径为75mm、100mm、125mm和150mm的硅片的设备仍在使用中,由于把设备升级成能生产更大直径的硅片需要花费上亿美元,所以最常见的做法是在建设新工厂时才引入新的硅片直径。在2000年左右,半导体产业开始转向300mm直径的硅片,进而把对硅片直径的评估测试已经提高到400mm。

  摘自H. Huff, R. Goodall, R. Nilson 和 S. Griffiths, "Thermal Processing Issues for

  300mm Silicon Wafers:Challenges and Opportunities," ULSI Science and Technology.

  追求更大直径的硅锭,对硅锭生长中正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。300mm的硅锭大约有1米长,并且需要在坩锅中熔化150kg到300kg的半导体级硅。随着制备硅锭复杂度的增加,为什么还要继续增加硅片的直径呢?是由于增加硅片直径给硅片制备带来的成本利润。

  对300mm的硅片来说,它要比200mm硅片的面积多2.25倍。这样每个硅片上产出的芯片数目就会增加,更大直径硅片拥有更大的表面积来生产芯片。

  打个比方,驾驶一辆汽车从城市A到200公里外的城市B,如果是司机独自前往,那么他将承担所有费用(燃料和汽车损耗等); 然而,如果司机与一位乘客同行,那么人均费用将会降低;如果司机与多位乘客一起去,那么人均费用将会更低。这种效率算法叫做规模经济学。

  更大直径硅片意味着每个硅片上有更多的芯片。根据规模经济学,每块芯片的加工和处理时间都减少了,导致设备生产效率提高。据估计,通过设备利用率的提高,转换到300mm的硅片直径可以把每块芯片的生产成本减少了30%。更大直径硅片的另一个好处就是在硅片边缘的芯片少了,转化为更高的生产成品率。还有一个好处是由于在同一工艺过程中需要处理更多的芯片,所以在每块芯片的处理过程中,设备的重复利用率提高了。

  整个半导体产业由200mm硅片直径转变到300mm硅片直径的花费估计是130亿到150亿美元,没有一家公司或国家具有单独进行这种转变的能力。全球300 mm硅片直径的标准已经建立起来,两家半导体协会当年协调了向300mm硅片转换的进程,一个是International 300 mm Initiative(1300I),以美国、欧洲、韩国等国家为代表; 另一个是Semiconductor Leading Edge Technology,是以日本为代表的10家IC公司。总之,节省成本是驱使半导体产业转向更大直径硅片的主要原因。

  摘自H. Huff, R. Goodall, R. Nilson 和 S. Griffiths, "Thermal Processing Issues for 300mm Silicon Wafers:Challenges and Opportunities," ULSI Science and Technology.

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