晶圓（硅片）為什么越來越大？

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-11 10:21:48 692

在硅基集成電路生產過程中，硅片（wafer）是關鍵材料之一。硅片的直徑和大小在整個生產工藝中起著至關重要的作用。硅片的尺寸不僅決定了可以生產的芯片數量，也對成本、產能和質量有直接影響。

一、硅片尺寸的歷史發展

集成電路生產的早期，使用的硅片直徑較小。1960年代中期，硅片的直徑通常是25毫米（1英寸）。隨著技術進步和對更高效生產的需求增加，硅片的尺寸不斷增大。現代半導體制造中，通常使用150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）以及300毫米（12英寸）的硅片。

圖：硅片的參數

這種尺寸的變化帶來了顯著的優勢。以300毫米的硅片為例，其表面積是50年前1英寸硅片表面積的140多倍。這種面積的增加使得生產效率和成本效益都有了顯著提升。

二、硅片尺寸對產量和成本的影響

1. 產量提升

較大的硅片允許在同一片硅片上制造更多的芯片。假設芯片的結構尺寸（即芯片的設計和所需的物理空間）相同，那么在300毫米的硅片上可以比200毫米的硅片上多制造超過兩倍的芯片。這意味著更大的硅片可以顯著提升產量。

2. 成本降低

硅片面積增大后，產量增加，而制造工藝的一些基本步驟（例如光刻和蝕刻）不隨硅片尺寸的變化而變化。這樣就可以在不增加工藝步驟的情況下提高生產效率。此外，更大的硅片也使得制造成本能夠進一步分攤，從而每個芯片的成本也會降低。

三、硅片邊緣效應的改善

當硅片直徑增加時，硅片的邊緣曲率變小，這對于減少邊緣損耗非常重要。因為芯片通常是矩形的，所以在硅片邊緣由于曲率的影響，可能無法容納完整的芯片。在較小的硅片中，這種邊緣損耗較大，因為硅片曲率較大。但是在300毫米的硅片中，這種曲率相對較小，因而可以最大限度地減少邊緣的損耗。

四、硅片尺寸的選擇與工藝設備的匹配

硅片的尺寸影響著設備的選擇和生產線的設計。隨著硅片直徑的增加，所需的設備也需隨之調整。例如，用于處理300毫米硅片的設備通常需要更多的空間和不同的技術支持，并且在成本上也較高。但是，這種投資可以通過提高產量和降低單片芯片成本來彌補。

此外，300毫米硅片的制造過程相比200毫米硅片會更加復雜，涉及更高精度的機械手臂和復雜的搬運系統，以確保硅片在整個生產過程中不受損。

五、硅片尺寸的未來趨勢

雖然目前300毫米的硅片已經在高端制造中廣泛應用，但行業對更大尺寸硅片的探索仍在繼續。450毫米硅片的研發工作已經開始，并有望在未來實現商用。硅片尺寸的增加直接提高了生產效率，降低了成本，并且減少了邊緣損耗，這些都使得半導體制造變得更加經濟和高效。

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