一座就要百億美元，晶圓廠為何這么貴？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近期，中芯國際、三星甚至TI都爆出想要建設(shè)晶圓廠的消息，此前，英特爾、臺(tái)積電等大廠也都確認(rèn)將要新建晶圓廠。市場(chǎng)中的缺芯行業(yè)，不斷刺激著各大晶圓廠的神經(jīng)，讓各個(gè)地區(qū)的晶圓廠都開始立項(xiàng)、建設(shè)直至量產(chǎn)，這也成為未來幾年的主旋律。

嚴(yán)苛的制造環(huán)境

那么如果要投資建設(shè)一座晶圓廠，需要做哪些準(zhǔn)備呢？

首先，由于芯片半導(dǎo)體加工屬于精密制造，對(duì)于環(huán)境的要求極高，尤其如今芯片制程在納米級(jí)別，一些小的污漬或者灰塵就可能導(dǎo)致晶圓報(bào)廢。因此對(duì)于晶圓廠而言，無塵間或者叫凈化間是必須的。

并且因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/207/" target="_blank">芯片制造的精密性，通常晶圓廠的無塵間級(jí)別甚至要比尋常的手術(shù)室嚴(yán)格數(shù)十倍，將空氣中的雜志與灰塵盡可能隔離出廠間。

污染物除了尋常可見的灰塵顆粒、金屬雜質(zhì)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(duì)晶圓制造造成干擾，進(jìn)入無塵間的工作人員都會(huì)穿上超凈服，完全將自己包裹住。

同時(shí)在進(jìn)入無塵間之前還需要經(jīng)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(zhì)與污染。而超凈服也能最大程度避免靜電，讓干擾降至最低。

而在無塵間中，對(duì)于工作人員的移動(dòng)速度也做了限制，不能走動(dòng)太快，需要緩慢移動(dòng)，防止氣流被破壞。外來的風(fēng)氣也必須經(jīng)過濾網(wǎng)處理，避免有灰塵進(jìn)入，不同的工藝對(duì)于無塵的要求也不相同。

此外，制造晶圓時(shí)，還需要使用到大量的高質(zhì)量、超純?nèi)ルx子水。通常這些去離子水會(huì)通過管道連接進(jìn)入車間，并且用于晶圓蝕刻環(huán)節(jié)上。

高度的無塵要求，大量的去離子水，對(duì)外部空氣進(jìn)行過濾，甚至要盡可能避免工作人員太多的走動(dòng)。這就需要晶圓廠進(jìn)行更合理的布局，來提升生產(chǎn)良率，而這些要求也進(jìn)一步提升了晶圓廠的成本。

比如前段時(shí)間中芯國際便計(jì)劃投資約88.7億美元，建設(shè)月產(chǎn)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(shè)2座先進(jìn)工藝晶圓廠，并且決定未來10年在歐洲地區(qū)建設(shè)8座晶圓廠，投資金額高達(dá)950億美元。顯然，如今的先進(jìn)工藝晶圓廠平均價(jià)格甚至達(dá)到了近百億美元。

復(fù)雜的流程與昂貴的設(shè)備

除了對(duì)工廠車間環(huán)境的嚴(yán)苛要求外，晶圓制造的具體環(huán)節(jié)還需要提供大量的相關(guān)設(shè)備。首先是EDA軟件，將芯片半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)通過EDA完成，然后交由晶圓廠進(jìn)行制造。這一步通常是由需求方來提供，比如許多的Fabless企業(yè)都會(huì)通過EDA完成芯片設(shè)計(jì)后，再找到晶圓廠下達(dá)訂單。

拿到圖紙后，便進(jìn)入到晶圓的制備環(huán)節(jié)。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(yè)需要從沙子當(dāng)中進(jìn)行提純，通常是將砂石原料放入一個(gè)溫度超過兩千攝氏度的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與液態(tài)氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，再通過整流和化學(xué)還原工藝，得到高純度的多晶硅。

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(dǎo)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(jìn)入到集成電路的制造流程當(dāng)中。

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(yīng)在硅晶體上形成一層硅氧化物，為之后的打磨和刻蝕做準(zhǔn)備，這里需要相應(yīng)的高溫設(shè)備。隨后再將相應(yīng)的例子植入進(jìn)晶圓的特定區(qū)域中，改變晶圓在特定區(qū)域的導(dǎo)電或者不導(dǎo)電性。

然后通過化學(xué)氣相沉積，利用CVD將反應(yīng)氣體生成固態(tài)，沉積在晶圓的表面，形成一層薄膜。

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(jìn)行曝光，讓晶圓的表面一部分曝光，一部分沒有曝光，這個(gè)步驟需要用到光刻機(jī)。全球最大的光刻機(jī)生產(chǎn)商為荷蘭的ASML，一臺(tái)EVU光刻機(jī)售價(jià)甚至達(dá)數(shù)億美元。

曝光完成后，就需要進(jìn)行蝕刻，通過蝕刻機(jī)將曝光的區(qū)域進(jìn)行蝕刻，形成紋路。然后通過PVD設(shè)備在晶圓上覆蓋一層銅離子，將晶體管連接起來，銅離子會(huì)沉積在晶圓表面，最后將多余的銅拋光掉。

以上的這些步驟，需要多次重復(fù)，每一層都能實(shí)現(xiàn)不同的功能，通常一個(gè)芯片包含幾十層結(jié)構(gòu)，這意味著制造晶圓也需要重復(fù)數(shù)十次以上。

再將芯片從硅片上裁剪下來，成為一個(gè)獨(dú)立的芯片，繼續(xù)對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格的產(chǎn)品將進(jìn)行最終的封裝。

粗略估算下來，芯片的制造步驟超過上千步，建設(shè)每一步的合格率達(dá)到99.99%，那么經(jīng)過數(shù)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(dá)到90%以上才會(huì)量產(chǎn)，這樣才能保證不會(huì)虧本。

那么一塊12寸晶圓能夠生產(chǎn)多少芯片呢，以一顆長(zhǎng)寬均為10.5mm的芯片為例，完美生產(chǎn)的話，一塊晶圓可以生產(chǎn)650顆芯片左右，不過考慮到良率，最終成品將在550顆左右。

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(fā)成本以及其他成本，這也就解釋了，為什么一座先進(jìn)的晶圓廠需要投資上百億美元才能建設(shè)。