如何建造一个 200 亿美元的半导体晶圆厂

主要观点:半导体技术几十年来发展迅猛,成本和尺寸不断下降,推动了诸多电子设备的发展,如今强大的 GPU 是推进 AI 技术的关键。同时,制造半导体的设施成本却大幅上升,这源于摩尔定律使半导体组件变小变便宜,但制造难度增大。
关键信息

  • 1954 年第一个晶体管收音机有 4 个晶体管,每个 2.5 美元,如今 AMD Ryzen 处理器有 99 亿个晶体管,售价 650 美元,晶体管成本下降约 3 亿倍。
  • 60 年代末 70 年代初,半导体制造设施成本约 400 万美元,如今现代工厂成本 100 - 200 亿美元或更多。
  • 现代微芯片由多层构成,包括半导体组件、金属布线等,制造过程复杂,需反复进行分层、图案化、掺杂、热处理等操作,还涉及抛光、清洁等支持过程。
  • 半导体制造对精度要求极高,极小的杂质、颗粒或偏差都可能导致芯片故障,现代晶圆厂通常由四层构成,包括洁净室、子工厂、夹层空间等,各层都有严格的设计要求和控制措施。
  • 洁净室要求极高的洁净度,空气处理系统庞大,工人需穿特殊服装,随着半导体特征变小,洁净室要求更严格,采用 FOUP 等隔离措施。
  • 子工厂包含支持洁净室操作的设备和化学物质处理系统,化学物质种类繁多且纯度要求高,部分有毒,需要特殊处理和防护系统。
  • 建造晶圆厂成本高昂,约 70 - 80%的成本是工艺设备,随着晶体管缩小,建晶圆厂成本上升,行业结构也发生变化,转向“无厂”模式。
    重要细节
  • 介绍了多种制造过程中的具体方法,如沉积方法(热氧化、化学气相沉积、溅射等)、图案化过程(光刻、蚀刻等)、掺杂方法(扩散、离子注入等)、加热过程等。
  • 详细描述了晶圆厂内各种设备的类型、价格和作用,如 ASML 的 EUV 机器近 4 亿美元,Applied Materials 的一些机器也价格不菲。
  • 提到晶圆厂建设面临的诸多挑战,如环境审查流程增加导致建设时间延长、美国建晶圆厂成本比其他地区高 30% - 400%等。
  • 指出随着晶圆尺寸变大,设备成本也相应增加,如从 50mm 晶圆到 300mm 晶圆,需要更多自动化材料处理设备。
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