光刻掃描儀吞吐量的成本模型

我們一直在我們的私人咨詢業(yè)務(wù)上花費(fèi)大量時(shí)間，試圖為各種邏輯和內(nèi)存工藝節(jié)點(diǎn)的工具類型建立一個(gè)半導(dǎo)體工廠資本支出的模型。我們正在密切跟蹤的項(xiàng)目是光刻支出如何在各種節(jié)點(diǎn)收縮之間演變。我們的起點(diǎn)是28nm，它從第一代 FinFET 節(jié)點(diǎn)發(fā)展到第一個(gè) EUV 節(jié)點(diǎn)，再到第一個(gè) Gate All Around Nanosheet 節(jié)點(diǎn)（3nm 和 2nm）。

根據(jù)檢查的節(jié)點(diǎn)不同，在光刻技術(shù)上花費(fèi)的百分比會(huì)有很大差異。這里有一張關(guān)于該主題的舊 ASML 幻燈片。它似乎排除了很多各種晶圓廠的資本支出，但看起來(lái)很有趣。

光刻支出相對(duì)于沉積和蝕刻的演變對(duì) ASML、Lam Research、Applied Materials、Tokyo Electron等公司的相對(duì)績(jī)效有很大影響。在我們研究這個(gè)問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)方面是每個(gè)DUV或EUV層的曝光成本，以及它們的數(shù)量。順帶一提，一些賣方分析師試圖將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 EUV 曝光數(shù)計(jì)算到他們的 ASML 模型中，但結(jié)果大錯(cuò)特錯(cuò)。

此時(shí)您可能在想，這太棒了，但這與模具尺寸有什么關(guān)系？

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，更大的模具成本成倍增加。我們認(rèn)為我們所有的讀者都知道這一點(diǎn)。較大的裸片尺寸會(huì)增加成本，因?yàn)槿毕莞锌赡苡绊戄^大的裸片。這是小芯片革命背后的主要推動(dòng)力之一。我們?cè)谑褂?AMD 小芯片數(shù)據(jù)中心 CPU 與英特爾單片數(shù)據(jù)中心 CPU 的高級(jí)封裝系列中對(duì)此進(jìn)行了比較。

這種傳統(tǒng)的思維過(guò)程可能是完全錯(cuò)誤的。讓我們使用一個(gè)帶圖片的假設(shè)示例來(lái)解釋更小的芯片制造成本更高的原因。假設(shè)一個(gè)無(wú)晶圓廠芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在決定是制作一個(gè)大型單片芯片還是制作 2 個(gè)小芯片 MCM 設(shè)計(jì)。左邊是一個(gè)裝滿 25 毫米 x 32 毫米、800 毫米 2 芯片的晶圓。

右邊是一個(gè)裝滿 13.5 毫米 x 32 毫米、432 毫米 2 芯片的晶圓。2 個(gè)小芯片設(shè)計(jì)的每個(gè)小芯片僅多 8% 的硅，這與 AMD 當(dāng)前的小芯片 CPU 的開(kāi)銷相似。盡管兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都被模擬為具有相同的每平方厘米缺陷數(shù) (0.1)，但兩種設(shè)計(jì)中沒(méi)有缺陷的裸片數(shù)量差異很大。

單片設(shè)計(jì)每個(gè)晶圓有 30 個(gè)好管芯，而小芯片 MCM 設(shè)計(jì)每個(gè)晶圓有 79 個(gè)好管芯。假設(shè)所有有缺陷的模具都必須扔進(jìn)垃圾桶。如果沒(méi)有die yield harvesting，設(shè)計(jì)公司單晶設(shè)計(jì)只能賣30個(gè)產(chǎn)品，但是chiplet MCM設(shè)計(jì)可以賣39.5個(gè)。

通過(guò)使用小芯片和 MCM，每個(gè)晶圓的產(chǎn)品數(shù)量增加了約 30%。如果假設(shè)每個(gè)晶圓的成本為 17,000 美元，那么無(wú)缺陷硅芯片的單片成本為 567 美元，小芯片 MCM 的成本為每個(gè)無(wú)缺陷硅芯片 215 美元，而 2 為 430 美元。顯然，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該選擇小芯片 MCM 選項(xiàng)，如果我們忽略任何功耗、芯片收集和封裝成本差異，因?yàn)樗鼈兛梢詾槊總€(gè)產(chǎn)品節(jié)省 136 美元！

如果我們告訴您這種小芯片 MCM 設(shè)計(jì)更昂貴怎么辦？

你可能不相信我們，但讓我們來(lái)看看如何。在這個(gè)假設(shè)場(chǎng)景中，假設(shè)產(chǎn)品使用代工 5nm 級(jí)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)這家代工廠以約 50% 的毛利率以約 17,000 美元的價(jià)格出售這些晶圓。以下是按消耗品或工藝步驟細(xì)分的成本，包括工具折舊、維護(hù)成本、電力使用、分配的員工成本等。

這些數(shù)字與我們的實(shí)際估計(jì)有很大偏差，但一致的是，最大的成本中心是光刻。它幾乎占加工晶圓成本的 1/3。光刻成本只是一個(gè)平均假設(shè)。根據(jù)您選擇的模具尺寸，它可能會(huì)有很大差異。

光刻工具不分青紅皂白地曝光晶圓。它需要知道哪些地方可以用光刻曝光，哪些地方不可以曝光。光掩模包含芯片設(shè)計(jì)并阻擋光線或允許光線通過(guò)以曝光晶圓。領(lǐng)先的 5nm 代工廠設(shè)計(jì)將有十幾個(gè) EUV 光掩模和另外幾十個(gè) DUV 光掩模。這些光掩模中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于晶圓上的一個(gè)特征或特征的一部分，并且對(duì)于每個(gè)芯片設(shè)計(jì)都是唯一的。通過(guò)光刻和所有其他工藝步驟的循環(huán)，這家代工廠可以在大約 10 周的時(shí)間內(nèi)在晶圓上制造出特定的 5 納米芯片。下面是 DUV 光掩模的圖片。

標(biāo)準(zhǔn)光掩模為 104 毫米 x 132 毫米。然后，光刻工具通過(guò)光掩模進(jìn)行曝光，以 4 倍的縮小率在晶圓上印刷特征。該區(qū)域?yàn)?26 毫米乘 33 毫米。大多數(shù)設(shè)計(jì)并不完全符合 26 毫米 x 33 毫米。

標(biāo)線利用率的概念出現(xiàn)了。

通常，芯片設(shè)計(jì)較小，因此光掩?？梢园鄠€(gè)相同的設(shè)計(jì)，如上圖所示。即便如此，大多數(shù)設(shè)計(jì)也不會(huì)完全適合 26mm x 33m 的區(qū)域，因此通常光掩模的一部分也不會(huì)曝光。

如果一個(gè)芯片是 12 毫米 x 16 毫米，我們可以在每個(gè)標(biāo)線片上安裝 4 個(gè)芯片。這里的分劃板利用率非常高，因?yàn)橹挥幸恍〔糠址謩澃鍥](méi)有暴露。對(duì)于 25mm x 32mm 的單片芯片，我們不會(huì)在狹縫和掃描方向上使用 1mm。十字線的利用率同樣很高。對(duì)于我們的 chiplet，尺寸為 13.5mm x 32mm。這個(gè)模具太大，不能并排放置 2 個(gè)模具，因此每個(gè)模具只能有 1 個(gè)模具。下圖顯示了上述示例的一些可視化效果。

你可能會(huì)問(wèn)，光罩利用率低有什么問(wèn)題？

這成為一個(gè)巨大的成本問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)我們縮小到晶圓級(jí)處理過(guò)程時(shí)會(huì)發(fā)生什么。放置在光刻工具和工具中的晶圓一次暴露晶圓 1 的光罩區(qū)域的一部分。如果使用完整的 26mm x 33mm 掩模版，光刻工具以最少的步數(shù)跨過(guò) 300mm 晶圓，寬 12 個(gè)掩模版，高 10 個(gè)掩模版。如果光罩利用率較低，則工具必須在每個(gè)方向上多次跨過(guò)晶圓。

將每個(gè)晶圓上的 25mm x 32mm 單片芯片與 13.5mm x 32mm 小芯片 MCM 設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí)，我們需要跨過(guò)晶圓 1.875 倍！

現(xiàn)代 DUV 和 EUV 工具具有狹縫和掃描。狹縫 (26mm) 是曝光的部分，它掃描 (33mm) 整個(gè)標(biāo)線板區(qū)域。Andreas Schilling 分享的下方這張來(lái)自 ASML 的關(guān)于 High-NA EUV 的 gif 展示了這個(gè)概念。對(duì)于 High-NA EUV，狹縫最大仍為 26mm，掃描減半。生產(chǎn)力的主要損失在于晶圓臺(tái)必須移動(dòng)多快。

想象一下，如果相反，狹縫減半。吞吐量影響會(huì)大得多。

將我們的單片設(shè)計(jì)與小芯片 MCM 設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí)，我們的光刻工具時(shí)間顯著增加，因?yàn)榫A必須掃描 1.875 倍。這是因?yàn)楠M縫的很大一部分沒(méi)有得到充分利用。雖然在晶圓裝載時(shí)間方面仍有一些效率，但光刻工具的大部分成本與掃描時(shí)間有關(guān)。因此，每片晶圓的內(nèi)部成本顯著上升。

在這種假設(shè)情況下，代工廠現(xiàn)在每片晶圓的光刻成本要多花費(fèi) 2,174 美元。這是一個(gè)巨大的成本增加，代工廠無(wú)法承受已經(jīng)擁有非常緊張的利潤(rùn)交易的大批量客戶。假設(shè)代工廠按利潤(rùn)定價(jià)，因此無(wú)論設(shè)計(jì)如何都保持 50% 的毛利率。

未充分利用掩模版上的狹縫導(dǎo)致的成本增加意味著代工廠不會(huì)以 17,000 美元的價(jià)格出售這些晶圓以維持 50.2% 的毛利率。相反，他們將以 21,364 美元的價(jià)格出售這些晶圓。單片產(chǎn)品的無(wú)缺陷硅成本仍為 567 美元。每個(gè)芯片的無(wú)缺陷硅成本不是 215 美元，而是 270 美元。每件產(chǎn)品不再是 430 美元，而是 541 美元。

Chiplet 還是 Monolithic 的決定現(xiàn)在變得更加困難。一旦您考慮了封裝成本，單片芯片很可能制造起來(lái)更便宜。此外，小芯片設(shè)計(jì)還存在一些電力成本。在這種情況下，構(gòu)建大型單片芯片絕對(duì)比使用 chiplet/MCM 更好。

這個(gè)例子是最壞的情況選擇來(lái)展示分劃線利用率的點(diǎn)。這種簡(jiǎn)單化和假設(shè)性的分析也有很多注意事項(xiàng)。此外，與其他工藝步驟相比，5nm 之前以及我們進(jìn)入全柵時(shí)代之后的大多數(shù)其他工藝節(jié)點(diǎn)的光刻成本更低。大多數(shù)小芯片架構(gòu)可能會(huì)提高光罩利用率而不是降低它。

審核編輯：劉清