18寸晶圆之路为何渐行渐远？

当前一代晶圆变成主流，支持了大约 40% 的总产能时，新一代晶圆就会开始。如今12寸（300mm)晶圆已经占了70%的总产能，曾经被热烈讨论的下一代18寸(450mm)晶圆计划却在渐行渐远，似乎失去了背后的推动力。

通常来讲，半导体行业每隔十年就会增加一次晶圆的直径，工艺制程保持每两年一个节点的速度。2001年，200mm的晶圆向300mm迁移时，花费了10年的时间，让单位晶体管的成本突破了摩尔定律。因此当纳米尺度逐渐逼近物理极限，工艺节点技术进步放缓时，产业界开始积极推动18寸晶圆厂的上线。他们设想向450mm过渡就像以往向300mm过渡一样，可以增加向用户提供的价值，生产率翻番。

从原理上看的确如此，把晶圆做大的价值在于增加每片晶圆可切割的die数量，提升芯片的总体良率；与此同时每次处理的die数量增多，也极大降低了时间成本，增大了产能——更利于快速实现芯片的成本摊薄。因此从各方面来看，这都是很划算的生意。

但在实际操作过程中真的是这样吗？

早在2008年英特尔就宣布与三星、台积电达成了合作协议，计划于2012年投产450mm晶圆。

2011年，新上任的纽约州州长Andrew Cuomo成立了全球450联盟(G450C)，并于美国纽约州Albany设立了450mm晶圆技术研发中心，期望晶圆直径的增大能够牵动整个产业链，带来新的改变，然而所有的计划都没有让450mm晶圆现世。

为什么呢？主要有以下三个原因。

在芯片的生产流程中，主要考虑设备成本和时间成本两大核心要素。在时间成本方面，更大的晶圆只能节省晶圆装载、蚀刻、各种清洁打磨的时间，并不能节省光刻和测试等工艺的时间。

从设备成本上看，为了维持更大晶圆的均匀性、生产性和良品率，18英寸产线对晶圆传送工具、单片加工设备、精密切割设备及CMP等设备提出了更高的精准度要求，势必会产生更大的研发成本和设备成本。

最重要的是，尖端制造工艺的建厂成本投入呈指数级增长，晶圆的代际成本非常大。从150mm到200mm花了大约6年，花费将近15亿美金；而从200mm到300mm则花了近10年时间，投入了116亿美金，成本几乎上涨了近8倍。若要进化到450mm，将耗费设备商们高达甚至超过1000亿美元的巨额研发成本。

SEMI曾预测每个450mm晶圆厂将耗资100亿美元,但单位面积芯片成本只下降8%。高额的资金所带来的效率提升并不显著，是行业暂缓450mm晶圆计划的原因之一。

对于整个尖端制造工艺行业来说，向更大晶圆尺寸进军，就会给较小的市场玩家设置了参赛壁垒。随着参与者持续减少，行业对450mm的前期巨额成本投入，预期收回成本的时间将是无法估算的。

据统计，150mm晶圆厂大约有130家公司，而拥有200mm晶圆厂的公司却不到90家，300mm晶圆厂的公司仅仅只有24家。因此晶圆尺寸迁徙是一个战略决策，涉及到整个产业链上中下游的巨大变化，会造成供应链上各个行业的动态和交互影响。

总体而言，生产450mm晶圆不仅需要建设新厂，而且几乎所有设备都必须配合变动，重新研发、投产和试运行，因此整个产业链的相互配合非常关键，没有一家企业能够独自“乘风破浪”。

硅晶片主要采取的是直拉法工艺，在结晶过程中，直径越大，旋转速度的不稳地性越高，所以导致晶格结构缺陷的可能性越大。同样晶圆直径越大也意味着重量越大，边缘处更容易出现翘曲的现象，因此良率也就越低，单位面积成本越高。通过增大晶圆尺寸降低的成本并不能弥补大直径导致晶圆不良率增加的成本，所以生产更大尺寸的晶圆就变成了一种不经济的行为。

今年第一季度，ASML 首席执行官 Peter Wennink 表示:“在 High-NA EUV 方面，我们取得了良好的进展，目前已经开始在我们位于维尔德霍芬的新无尘空间中打造第一个 High-NA 光刻”。ASML尝试更高high-NA数值孔径，制造下一代 High-NA光刻机的原型机的行为就将未来数年的光刻技术钉死在了300mm的轨道上，一旦发生转向，就会付出巨大的沉没成本。

因此，从当前的尖端制造工艺技术发展路径来看，450mm晶圆计划渐行渐远是大势之趋。