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缩小到3nm需要更先进的制造技术

在半导体制造工厂中跟上摩尔定律不仅是经济上的斗争,也是工艺控制技术的问题。半导体行业的发展靠的是一个非常直接的概念:把晶体管做得更小。从晶体管的发明到现在,这种方法好像是一个无底洞,每一个新的节点都会花费更多的钱。

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摩尔定律推动半导体产业发展


现在,随着制造商采用3nm工艺,制造和经济壁垒使这种方法变得更加复杂。 


缩小节点的竞争很昂贵 

虽然每次新节点的引入都会带来设计成本的逐渐增加,但是到了现在的阶段,这些成本的增长已经变成了成倍的增长。 


麦肯锡公司(McKinsey and Company)表示,在16nm节点上设计IC的总成本(包括架构、验证和IP认证)约为1.04亿美元。跳到5nm,已经达到了2.97亿美元,而即将问世的3nm芯片的设计成本将跳涨到5亿美元。  

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新IC节点的研发和制造成本成倍增长

然而,从很多方面来说,比将晶体管缩小到3nm节点更昂贵的是制造出能够实际生产这些晶体管的制造设备。


麦肯锡的同一份报告告诉我们,在16nm节点上建造和装备一座晶圆厂的成本是13亿美元。在5nm已经达到了54亿美元,而3nm的未来可能会有100亿美元。 


其中许多设备成本来自对支持较小节点制造的新设备的需求。例如,虽然EUV设备现在对于较小的节点来说是至关重要的(且成本很高),但对于大节点尺寸来说,它们并不需要。


半导体晶圆厂所面临的技术和经济挑战已经变得如此巨大,以至于只有大型企业才有能力参与其中。


晶圆厂效率的成本

半导体设计和制造成本的不断增加,一个直接的必然结果就是效率变得比以往任何时候都重要。可以这样想:由于运营一座晶圆厂每天的成本可能达到数百万美元,任何停机时间都是有害的。出于这个原因,许多晶圆厂将价值数百万美元的晶圆作为闲置库存,因为他们宁愿承担这些成本,也不愿承担与停机相关的成本。

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晶圆利用率与收支平衡时间以及不同级别的补贴


麦肯锡公司(McKinsey and Company)的报告显示,如果没有政府补贴,即使以100%的利用率运行, 5nm的晶圆厂也需要五年以上才能实现投资收支平衡。当利用率降低到50%时,即使是一家补贴高达20亿美元的晶圆厂,也要花费10年以上的时间才能达到收支平衡。 

这些严峻的经济壁垒使企业甚至无法参与进来,从而进一步将该行业整合到少数富裕公司和国家之上。 


应用材料公司的应对办法

这些晶圆厂一直在寻找提高速度和产量的效率的方法。Applied Materials旨在通过在晶圆检测过程中实施AI和数据科学来解决这一问题。

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在现代的半导体设施中,缺陷检测可能是一个昂贵的过程

他们的平台之一被称为Enlight,它利用数据科学和光学技术来执行更高级的晶圆检查。该公司相信,通过收集更多的关键产量数据,可以将捕获关键缺陷的成本降低三倍,并在同一过程中提高良率。 



过程控制的另一个要素SEMVision系统是一种eBeam审查技术,它使用第三个要素:ExtractAI来训练Enlight系统。


ExtractAI系统使用人工智能将良率缺陷与高端扫描仪产生的普通噪声区分开。实际上,该系统运行良好,以至于该公司仅检查了0.001%的样品即可报告出识别晶圆上所有潜在缺陷的能力。  

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Enlight(左),ExtractAI(中)和SEMVision(右)这三个元素使用光学器件捕获更多的良率数据,并使用AI快速分类晶圆缺陷。


3nm解决方案?

由于晶圆厂的任务是将尺寸缩小到3纳米,因此设备必须更快,更有效地识别晶圆缺陷至关重要。看来,诸如Applied Materials推出的工具可能会导致降低这项工作的成本,同时保持生产周期的及时进行。

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