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18寸晶圓之路漸行漸遠 三大半導體廠態度迥異

2017-01-18

在短短幾年前還在半導體產業界被熱烈討論的18寸(450mm)晶圓,似乎失去了背后的推動力,至少在目前看來如此。“18寸晶圓議題可能會繼續沉寂5~10年;”市場研究機構VLSI Research的執行長暨資深半導體設備分析師G. Dan Hutcheson表示:“也許它會起死回生,端看半導體設備業者是否會達成共識。”

一個參與者包括英特爾(Intel)、臺積電(TSMC)、Globalfoundries、IBM、三星(Samsung)以及美國紐約州立大學理工學院(SUNY Polytechnic Institute)的研發專案Global 450 Consortium (G450C),已經在去年底悄悄地逐漸停止運作,成員廠商的結論是目前的時機不適合邁入可選擇的第二階段計劃。

“所有的伙伴們都贊同,這并不是一個適合持續專注于18寸技術的時機;”紐約州立大學理工學院的聯盟與專案計劃助理副總裁Paul Kelly接受EE Times采訪時表示:“但是大家都說G450C專案本身仍然是成功了。”

在最近于美國舉行的SEMI年度產業策略高峰會(Industry Strategy Symposium)上,幾乎沒人提起18寸晶圓;但不過在幾年前,包括G450C成員在內的主要芯片廠商都積極推動18寸晶圓設備能最快在2018年就能于晶圓廠裝機。

但Hutcheson指出,18寸晶圓面臨的最大障礙就來自于芯片設備業者,他們到目前為止仍對2000年初產業界轉移至12寸晶圓時經歷的艱辛記憶猶新;他表示,此時若推動更大尺寸晶圓、大量減少產業界的單位需求量,會讓設備業者的生意受損:“設備業者就是不想要再經歷一次轉換至12寸晶圓時的痛苦。”

Hutcheson表示,產業界一開始推動18寸晶圓,是因為相信當半導體業者再也無法跟上摩爾定律(Moore‘s Law),會要一種替代方案來提升銷售額;但顯然摩爾定律還沒走到盡頭:“目前的狀況是制程微縮反而讓芯片市場成長趨緩。”

過去幾年,半導體產業界成長腳步停滯,不需要像以前那樣大量擴充產能;沒有了對更大尺寸晶圓的充分需求,興建18寸晶圓廠意味著芯片業者得先讓12寸晶圓廠除役:“18寸技術陷入僵局的原因是,那是一個仍然距離太遙遠的世代。”

半導體設備大廠應材(Applied Materials)的一位發言人表示,該公司已經暫緩18寸晶圓計劃,因為過去幾年產業界對該技術的興趣逐漸消退:“我們轉而專注于利用新一代材料與元件架構,協助我們的客戶推動創新;我們將持續觀察18寸技術的進展,以及該如何給予我們的客戶最好的支援。”

紐約州立大學理工學院的Kelly強調,G450C專案的宗旨就是以嚴謹的態度判斷轉移18寸晶圓是否在技術上可行;在這方面,他認為G450C徹底成功:“所有的成員都感到滿意,他們能在必要的時候轉移至18寸技術。”

Kelly指出,除了證明18寸晶圓技術是可行的,G450C聯盟成員也達成了其他有價值的進展,包括建立了無凹槽(notchless)晶圓片標準;而該聯盟成員終究還是認為,目前的時機不適合將G450C推進第二階段:“成員們決定,將會在感覺必要的時候重新啟動相關工作。”

全球12寸晶圓產線續增 18寸晶圓之路漸行漸遠

由于12寸晶圓持續擴大應用至非存儲器領域,使得全球12寸晶圓生產線持續增加,據報道,2016年已接近100條產線,較5年前增加約20條產線,且預計未來4年將再增加近20條產線,相較之下,18寸晶圓商用化時程則會再往后延緩,業界預期2020年之前將不會有采用18寸晶圓進行大量生產的產線。

12寸晶圓除應用在DRAM和NANDFlash等需要大量生產的存儲器芯片,亦持續擴大使用在非存儲器產品,包括電源管理芯片、影像感測器等,甚至用來制造邏輯芯片、微型元件IC等,且為因應市場需求,將芯片產量最大化,半導體廠在12寸晶圓產線上,紛采用尖端技術促進制程微細化,并改變材料。

根據南韓ETNEWS引用ICInsights資料指出,12寸晶圓產線從2010年約73條,在2014年增至87條,2015年共有93條產線使用12寸晶圓2016年接近100條12寸晶圓廠,尤其是中國的入局,讓12寸晶圓廠大增。預期2019年將增加到110條。若以晶圓尺寸對應生產量的市占率來看,全球12寸晶圓市場比重在2014年突破6成之后,呈現逐年走揚趨勢,2015年比重逾62%,估計2019年將逼近65%。

至于次世代18寸晶圓雖可減少單位芯片生產成本,然引進時程持續減速,目前僅有少數產線采用18寸晶圓進行實驗性生產,業者預期2020年之前將不會有采用18寸晶圓進行大量生產的產線。

半導體業者認為,18寸晶圓引進時程趨緩,主要系因初期需要大規模投資,由于晶圓尺寸改變,相關設備必須配合變動,不僅需要建設新工廠,設備亦需要更換,對半導體和設備廠來說負擔不小,目前半導體業者大多轉向活用現有設備,朝微細化制程方向進行投資。

半導體業者指出,18寸晶圓計劃很早就喊卡,因為有能力進入18寸晶圓世代的廠商太少,只剩下臺積電、三星電子(SamsungElectronics)和英特爾(Intel),盡管晶圓廠鼓勵設備廠投入18寸晶圓技術研發,然設備廠完全看不到投資報酬率,一旦計劃失敗恐導致營運困頓,使得各家設備大廠紛踩煞車。

三大半導體廠態度迥異

據digitimes報道,全球18寸晶圓(450mm)世代時程至少將延至2018年,甚至傳出英特爾(Intel)減速研發時程,微影設備機臺大廠ASML亦傳出停止新世代18寸晶圓機臺開發,目前最心急18寸晶圓世代來臨的應是三星電子(Samsung Electronics),因為其著眼于18寸晶圓廠配合10納米以下制程技術,將可驅動固態硬盤(SSD)大量取代傳統硬盤市場。

半導體業者指出,18寸晶圓世代是半導體產業一定要驅動的方向,但當中面臨的技術障礙比預期高,可能導致量產時程延后,目前全球有能力進入18寸晶圓世代的半導體廠,分別是臺積電、英特爾及三星,而GlobalFoundries因為加入三星陣營,后續動態仍需觀察,但三大半導體廠對于18寸晶圓世代的急迫性,顯然有不同看法。

半導體業者表示,過去英特爾主導PC時代,在8寸和12寸晶圓世代研發總是沖鋒搶第一,但因為英特爾沒有趕上移動通訊大爆發世代,在18寸晶圓擴產腳步可能不會這么急迫,與過去態度迥異。

目前對于推展18寸晶圓最為急迫的應該是三星,由于其是DRAM和NAND Flash芯片霸主,存儲器芯片是標準型大量產品,對于成本結構敏感度極高,轉進18寸晶圓廠生產具有成本快速降低效應。另外,SSD需求再度翻紅,且最大應用商機將不再是個人儲存領域,而是云端儲存、大型資料中心需要的伺服器應用,這亦讓三星更急于推展18寸晶圓。

半導體業者認為,像是在SSD應用上,半導體廠若能驅動到18寸晶圓,配合10納米以下制程技術生產NAND Flash芯片,將可大幅降低SSD成本結構,甚至可大幅取代傳統硬盤,讓SSD生產極具成本效益,因此三星將是最積極推動18寸晶圓世代的半導體廠。

至于臺積電在28、20納米制程成功搶攻市占率后,未來在16、10及7納米制程藍圖都已擘劃完成。半導體業者透露,18寸晶圓發展亦在臺積電的藍圖中,但會更謹慎擘劃,目前10納米制程的試產線還沒用到極紫外線(EUV)機臺,預計仍是以多重曝光微影設備方式來作制程微縮。

業界預期18寸晶圓世代來臨至少要到2018年左右,甚至有半導體廠喊出要到2020年,由于技術障礙高,能否獲得臺積電、英特爾和三星采用都是問題,至于設備業者投入龐大研發成本是否能夠回收,亦將是一大問題。

半導體業者指出,半導體廠要降低生產成本可透過制程微縮或增加晶圓尺寸,由于制程微縮已見瓶頸,尤其10納米以下難度大增,目前似乎只有增加晶圓尺寸來擴大產出,進而降低成本,盡管從12寸轉至18寸晶圓面積可多出1.25倍,但因為投入研發和蓋廠費用飆升,估計一座12寸廠成本約25億美元,但18寸廠要100億美元起跳,讓廠商躊躇不前。

360°:Global 450 Consortium

全球18寸晶圓(450mm)開發主要是由Global 450 Consortium(G450C)組織主導,這是由全球五大半導體廠臺積電、英特爾(Intel)、三星電子(Samsung Electronics)、IBM和Global Foundries在2011年成立的組織。

G450C的成立宗旨在于協調半導體廠和機臺設備業者對18寸晶圓世代技術開發的不同意見。 18寸晶圓的技術障礙高是一大問題,但未來半導體客戶過度集中,設備廠開發成本高,但未必能有足夠回收,卻是更嚴重的問題,因為這將導致設備廠投資上的疑慮,進而拖延半導體產業進入18寸晶圓世代的時程。為了讓半導體廠與設備業者能更緊密合作,因此才成立了G450C。

半導體大廠除了組成產業組織外,為了加速設備研發的腳步,個別廠商也曾有對設備廠進行策略性投資的例子,如英特爾曾宣布投資41億美元,入股最關鍵的微影設備大廠ASML ,第一階段的研發重點是450mm Lithography技術,將分5年投入6.8億美元,加上普通股投資約21億美元取得10%股權,而第二階段則是EUV Lithography技術開發,同樣也分為5年,約投入10.2億美元做技術研發,另外投資10億美元取得5%股權。

臺積電、三星電子對ASML也有類似的策略性投資。


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