说说半导体建厂的事儿

2017-02-23 09:38:00 来源: 互联网

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2017年注定是一个半导体FAB厂雨后春笋一般建设的高产年，不说北上广等热门地方，光说四川今年就传言有3个12寸的FAB上马。究其原因一个是2016产能的不足，以及对2017市场的乐观判断，另外地方政府和集成电路产业大咖一拍即合的WIN-WIN利益，谁不愿在此时推上一把。

话说回来，建一个新工厂意味着时间、金钱和公司资源上的巨大投入。整个公司的成功与否有可能取决于这个新工厂的投资回报率（ROI）。要实现ROI的最大化，需在多个因素之间进行权衡，从最初的工厂设计到后来的生产上量阶段。

总的说来，工厂规划和建设始于一般性问题，然后才是具体细节。在开始阶段，设计人员必须了解这家工厂每个月将生产多少晶圆片、这些晶圆片的尺寸是多少,以及采用什么设计规则和工艺技术。但是，生产量、晶圆片尺寸和工艺技术的最佳组合取决于工厂开始生产时的市场状况，而此时距离当初的工厂规划往往已经过去了很长时间。

何时建厂

从建一家工厂到生产上量需要两年多的时间。然而，技术上的飞跃大约每18个月就有一次，半导体销售的高峰每24～36个月出现一次。对于两年以后的未来而言，不管是技术路演还是市场预测都是不足为据的。如果生产的产品其技术已进入衰退，则会给公司的财务状况带来灾难性的后果。

DRAM产业以产量规划问题而著名。一般来说，当DRAM的价格在一段时间里保持稳定或持续走高且需求旺盛时，会有很多工厂如雨后春笋般地冒出来。第一批新工厂加入供应商的行列后，造成供应源的增加和价格的下降；而后期开设的工厂则面临着更加严酷的价格竞争。1996年～1997年，存储器的售价跌到了其生产成本以下，2001年再度出现这种情况。

这些巨大的金融风险告诫人们要采取相对保守的投资方案。不过，在扩产投资上保持积极策略的公司能够在需求增长时更加迅速地把产品投放到市场上去。生产能力较大的DRAM供应商就可以利用市场价格的波动为自己谋利。生产能力有助于高附加值芯片（如微处理器）供应商从价格中获得额外的利润。

相反，不能满足需求的芯片供应商则有可能失去眼前及未来的定单。而定单的减少反过来又会限制今后的资金支出和公司的成长发展。

英特尔公司之所以连续不断地取得成功，原因之一就是它能够根据市场状况的好坏随时建立起自己的生产能力。通过哪怕是在市场衰退的情况下做出的投资，该公司几乎总能够在市场机会出现时拥有居于优势地位的生产能力。

技术的不断发展也使生产能力的规划变得更加复杂。更富有进取精神的设计规则能够在更小的封装内实现更高的性能，而且单位成本通常更低。更高的性能可以从价格中获得额外的利润。对一家技术先进的工厂来说，它最初的18个月是盈利状况最好并能迅速挣回初期投资的阶段。而采用相对陈旧的技术的工厂就不能从价格中赢得额外利润。而且，与更为先进的工厂相比，其成本上的劣势也是一个现实情况。

然而，技术上的飞跃同样也会带来风险。新的制造工具有可能满足不了计划交货期的要求、不能立即满足批量生产的要求或不能产生期望的工艺性能。技术上的滞后会使工厂丧失重要的市场。一家公司越是靠近技术前沿，技术上的风险就越大。对许多公司来说，结盟或建立合资企业有助于降低商业和技术上的风险。

建什么工厂

通过平衡期望的市场机会和商业及技术风险，规划人员做出了工厂的初步设计规划。该规划对工厂的生产能力进行了估算，而此生产能力反过来又决定了设备的数量、晶圆片储存空间和洁净室的大小。这些决定使得厂主能够制定预算并开始工厂框架的设计和建设。

晶圆片的尺寸对厂房面积和最终的生产能力具有显著的影响。按Dongbu Electronics公司的Peter Hillen的说法：每月30000只300mm晶圆片的初始生产能力至少相当于每月45000只200mm晶圆片的初始生产能力。300mm晶圆片工厂能够支持大得多的产品需求，而且事实上对获得可接受的投资回报率有着更高的需求。

采用300mm晶圆片的工厂需要大得多的初期投资，特别是在相对不太成熟的自动化和晶圆片轨道传输系统（Wafer Tracking System）上。虽然从理论上讲，晶圆片的尺寸越大每块芯片的成本就越低，但何时这些成本上的节省能够在所有的产品上成为现实尚不清楚。制造厂有可能发现，对于小批量而言，较大尺寸的晶圆片很难做到经济生产。

如何建厂

在决定了建一个什么类型的工厂之后，公司必须决定将它建在何处。

比如，金属版印刷设备要求对环境振动进行仔细的分析和控制，因此高速公路、机场和铁路会使人觉得工厂选址不合适选址或要求更复杂的防震措施。与此同时，建筑队伍和工厂的雇员都需要高速公路或其他交通基础设施。而且，工厂今后的经营活动也有相同的要求。震动分析必须考虑工厂自身产生的条件。DPR Construction公司的项目经理Bart Rogers认为：隔震往往是建设阶段最耗时最花钱的部分。

同样，工厂的能源和水资源消耗也对当地产生了巨大的压力。稳定的能源和充足的水资源获得将决定需要什么样的现场水净化和动力设施。Rogers说，由于当地公用设施方面的问题而导致的新建工厂计划被取消或重新选择厂址的现象屡见不鲜。

工艺设计

鉴于上述的技术和市场风险，设计人员总是尽可能地把工艺上的决策往后推。随着工厂框架的逐步成形，这些决策的做出变得日益紧迫。尤其对先进的金属版印刷设备而言，在高速成长期，从设计到投资的时间有可能需要整整一年，而工厂框架建设可能只需短短的6个月。

其它工艺可能对设施有着独特的要求。比如，许多工厂将铜和CMP区域与洁净工艺隔离开来。这影响到了隔墙的设置、通风及其它的洁净室基础设施。尽管先进的微处理器依赖于铜线互连，但铜还不是一种适合于所有应用的金属。在很多场合，铝仍然提供了更低的成本、更好的产出和合适的性能。

工厂的布局总体上取决于设备生产率与循环时间（Cycle Time）之间的权衡折衷。Tower Semiconductor公司一家工厂的经理Ron Niv说：把所有的防湿工作台（Wet Bench）和蚀刻系统放在一起有利于改进工作量的平衡和设备的生产率。然而，这种紧密摆放的方法容易导致循环周期的延长，因为晶圆片需要在各工序之间传送很长的距离。根据工艺流程有序安放,可以改进较少生产大批量产品的工厂的循环时间。但对于小批量产品生产较多、工艺经常变化的工厂而言则没有这种必要。布局的决策反过来又控制了厂房设施的基础结构，特别是设备的定位和设备连结（Equipment Hookups）的设计。

设备安装

Applied Materials公司的Kirby Hicks认为：典型的工厂项目在建设阶段和设备安装阶段之间有一条明显的分界线。经济的建设方法是从厂房的一个部分到下一个部分成组地进行公用管线的布局和安装，并在开始设备连结之前完成。不过，对于整个工厂的成本而言，公用管线设施的建设只是其中较小的一部分，设备和安装占到了70%～80%。设备一旦抵达，厂主的投资将直线上升。为使ROI最大化，厂主希望缩短从设备安装到生产首批产品之间的时间间隔。

Hicks解释说：与此同时，工厂不必待其所有设备均安装到位之后再开始工艺的制订工作。通常情况下，设备安装完毕之后可能几个星期都闲置在那里。工艺师们则在忙于其他事情。对项目来说，在几个星期的时间里将设备陆续运抵工厂并予以安装（而不是让供应商按照自己过于紧迫的时间表匆忙安装）可能是一种比较经济的方法。较好的做法是首先把生产所需的关键设备安装到位，然后再回头去完成剩下的设备连结。这种看似“漫无目标”（scattershot）的方法虽然增加了建设阶段的成本，但却有可能减少设备增加产量所需的时间，并制定出在节约成本方面更为有效的设备购置时间表。

批准的延误、设备连结不全以及类似的问题会影响到整个项目的进度和预算。例如，安装队到达后发现工厂尚未做好安装设备的准备，于是他们要么无事可做地傻等，要么只好先行返回以待问题得到纠正。通过平衡设备安装工作量，工厂可首先避免这种错误并在错误确实发生时将其影响降到最低程度。工厂可在安装队出发之前确认安装准备工作业已就绪。分步安装可使供应商在较长时间内只在现场保留一支小规模的安装队。

生产上量（Production Ramp）

一旦用于制造测试芯片的设备安装就位，工厂即开始工艺认证。很多工厂采用SRAM电路作为测试工具。但是，SRAM作为一种标准的存储单元阵列对于具有典型的随机分布特征（Random Distribution Feature）的微处理器或系统级芯片（SOC）电路来说可能不是一个好的测试模型。很多潜在的工艺问题均与布局有关。化学机械平面化（Chemical Mechanical Planarization，CMP）中的凹陷和浸蚀、金属版印刷的光学近似效应（Optical Proximity Effects）、蚀刻负载（Etch Loading）以及许多其他的工艺特性都随着特征密度（Feature Density）而改变。过程工艺（Via Process）取决于主要层的特性，以及其本身的布局堆栈式（stacked）或非堆栈式（unstacked）。

PDF公司的解决方案未采用SRAM测试工具，而是采用了一套短回路测试模块以隔离电路的不同区域。一个单晶圆片可能包含了用于堆栈式或非堆栈式过程工艺的测试工具、密集和稀疏阵列等等。在完成了整个工艺的适当分段之后，工厂即可开始加工测试工具。

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随着工艺向更高的生产能力迈进，测试工具表明哪些故障更为常见以及工厂应着力改进哪些工艺。把该信息与正在制造的特定产品设计结合起来考虑会更有用处。PDF公司的Dave Joseph介绍说，一家客户公司每十亿个的堆栈式过程工艺发生了500次故障，每十亿个非堆栈式过程工艺只发生了15次故障。然而，非堆栈式过程工艺对产量的影响更大，因为制造SOC设计的工厂只采用了极少的堆栈式过程工艺。

产量影响因素矩阵也对可制造性的设计提出了改进方案。例如，采用许多小存储区的SOC设计不能容许很多的存储器故障。在每个存储区设置冗余单元会大大增加整个电路的面积。但是，设计师可通过放宽位单元设计规则来更有效地提高存储器的产量。相反地，只有几个大存储区的芯片可以在采用更为严格的设计规则的条件下，通过增加冗余单元来提高存储器的产量，而电路板的面积不会有太大的增加。

Applied Materials公司估计：在工厂生产上量期间，每星期多生产300个晶圆片，对工厂而言就意味着增加675000美元的年收入。工厂越早达到其满设计能力，就能够越快地进入投资回收阶段，也就越有可能获得更多的利润。

可以把工厂的建设形容为一个没有赌注限额的牌桌，选手们必须不断地增加赌注，否则将被淘汰出局。快速的发展轨道设计、高效的建设以及产量的迅速提高将有助于赢得一种平衡。