晶圆厂为何一座就要百亿美元

电子发烧友网报道（文/黄山明）近期，中芯国际、三星甚至TI都爆出想要建设晶圆厂的消息，此前，英特尔、台积电等大厂也都确认将要新建晶圆厂。市场中的缺芯行业，不断刺激着各大晶圆厂的神经，让各个地区的晶圆厂都开始立项、建设直至量产，这也成为未来几年的主旋律。

严苛的制造环境

那么如果要投资建设一座晶圆厂，需要做哪些准备呢？

首先，由于芯片半导体加工属于精密制造，对于环境的要求极高，尤其如今芯片制程在纳米级别，一些小的污渍或者灰尘就可能导致晶圆报废。因此对于晶圆厂而言，无尘间或者叫净化间是必须的。

并且因为芯片制造的精密性，通常晶圆厂的无尘间级别甚至要比寻常的手术室严格数十倍，将空气中的杂志与灰尘尽可能隔离出厂间。

污染物除了寻常可见的灰尘颗粒、金属杂质或者沾污以外，还有自然氧化层、静电等。为了防止这些意外的因素对晶圆制造造成干扰，进入无尘间的工作人员都会穿上超净服，完全将自己包裹住。

同时在进入无尘间之前还需要经过一条空气洗涤通道，尽可能去除工作人员身体带来的杂质与污染。而超净服也能最大程度避免静电，让干扰降至最低。

而在无尘间中，对于工作人员的移动速度也做了限制，不能走动太快，需要缓慢移动，防止气流被破坏。外来的风气也必须经过滤网处理，避免有灰尘进入，不同的工艺对于无尘的要求也不相同。

此外，制造晶圆时，还需要使用到大量的高质量、超纯去离子水。通常这些去离子水会通过管道连接进入车间，并且用于晶圆蚀刻环节上。

高度的无尘要求，大量的去离子水，对外部空气进行过滤，甚至要尽可能避免工作人员太多的走动。这就需要晶圆厂进行更合理的布局，来提升生产良率，而这些要求也进一步提升了晶圆厂的成本。

比如前段时间中芯国际便计划投资约88.7亿美元，建设月产能10万片12英寸晶圆厂。英特尔今年3月份也宣布将投资200亿美元建设2座先进工艺晶圆厂，并且决定未来10年在欧洲地区建设8座晶圆厂，投资金额高达950亿美元。显然，如今的先进工艺晶圆厂平均价格甚至达到了近百亿美元。

复杂的流程与昂贵的设备

除了对工厂车间环境的严苛要求外，晶圆制造的具体环节还需要提供大量的相关设备。首先是EDA软件，将芯片半导体的设计通过EDA完成，然后交由晶圆厂进行制造。这一步通常是由需求方来提供，比如许多的Fabless企业都会通过EDA完成芯片设计后，再找到晶圆厂下达订单。

拿到图纸后，便进入到晶圆的制备环节。而晶圆的原材料便是高纯度的硅，但自然界并没有这种材料，企业需要从沙子当中进行提纯，通常是将砂石原料放入一个温度超过两千摄氏度的电弧熔炉中，在高温下发生还原反应得到冶金级硅，然后将粉碎的冶金级硅与液态氯化氢反应，生成液态的硅烷，再通过整流和化学还原工艺，得到高纯度的多晶硅。

除了硅作为积体电路的主要材料外，还需要加入一些砷、磷、硼等元素，来改变硅材料的导电能力与特性。最后还需要将多晶硅溶解，通过速度拉成圆柱状的单晶硅晶棒，最后切割得到晶圆。有了硅晶圆，才真正进入到集成电路的制造流程当中。

制造集成电路的流程，首先要将晶圆放在炉管中，通过高温反应在硅晶体上形成一层硅氧化物，为之后的打磨和刻蚀做准备，这里需要相应的高温设备。随后再将相应的例子植入进晶圆的特定区域中，改变晶圆在特定区域的导电或者不导电性。

然后通过化学气相沉积，利用CVD将反应气体生成固态，沉积在晶圆的表面，形成一层薄膜。

再之后，在晶圆表面涂上一层光刻胶，成为光阻，将晶圆放在光下进行曝光，让晶圆的表面一部分曝光，一部分没有曝光，这个步骤需要用到光刻机。全球最大的光刻机生产商为荷兰的ASML，一台EVU光刻机售价甚至达数亿美元。

曝光完成后，就需要进行蚀刻，通过蚀刻机将曝光的区域进行蚀刻，形成纹路。然后通过PVD设备在晶圆上覆盖一层铜离子，将晶体管连接起来，铜离子会沉积在晶圆表面，最后将多余的铜抛光掉。

以上的这些步骤，需要多次重复，每一层都能实现不同的功能，通常一个芯片包含几十层结构，这意味着制造晶圆也需要重复数十次以上。

再将芯片从硅片上裁剪下来，成为一个独立的芯片，继续对每个芯片进行测试，测试合格的产品将进行最终的封装。

粗略估算下来，芯片的制造步骤超过上千步，建设每一步的合格率达到99.99%，那么经过数千步之后，晶圆的良率甚至可能接近于0。而芯片的制造整体良率需要达到90%以上才会量产，这样才能保证不会亏本。

那么一块12寸晶圆能够生产多少芯片呢，以一颗长宽均为10.5mm的芯片为例，完美生产的话，一块晶圆可以生产650颗芯片左右，不过考虑到良率，最终成品将在550颗左右。

以上这些还只是晶圆厂的硬件成本，还没有算上人工成本、研发成本以及其他成本，这也就解释了，为什么一座先进的晶圆厂需要投资上百亿美元才能建设。

声明：本文由电子发烧友原创，转载请注明以上来源。如需入群交流，请添加微信elecfans999，投稿爆料采访需求，请发邮箱[e-mail]。

编辑：jq