蕭嘉玲

本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自embedded

單晶圓加工重塑芯片制造。

想象一下，一家能夠?qū)崟r思考、學習、調(diào)整和優(yōu)化工藝流程的半導體代工廠。這家工廠不僅能檢測每一片晶圓，還能預測每一個缺陷，同時采取糾正措施，并為客戶提供改進設(shè)計的見解。

這聽起來像是科幻小說，但這正是下一代半導體制造的樣子，進而創(chuàng)造出一種為人工智能時代而精心調(diào)整的新型代工廠。

單晶圓加工是下一代代工廠愿景的關(guān)鍵。然而，在傳統(tǒng)的直線型代工廠中運行單晶圓效率不高。必須設(shè)計一種新型代工廠。這種代工廠能夠更流暢地移動晶圓，并從每顆晶圓中學習，然后利用人工智能模型預測錯誤并進行修正。為了從每顆晶圓中獲取數(shù)據(jù)，未來的先進代工廠需要重新思考晶圓在工廠內(nèi)的移動方式，并調(diào)整布局，以便在同一工廠內(nèi)同時管理多個客戶項目和封裝項目。

未來的代工廠需要創(chuàng)新集成來實現(xiàn)制造優(yōu)化。

半導體制造：前端處理

芯片制造的晶圓或前端工藝始于氧化層，然后使用光刻技術(shù)（包括抗蝕劑涂覆、曝光和顯影）繪制圖案；蝕刻零件；添加離子；創(chuàng)建金屬層和絕緣層；以及平滑表面。這些步驟重復多次，以構(gòu)建復雜的電路層。在前端處理（圖1）中，在同一晶圓上重復這些步驟，以構(gòu)建構(gòu)成集成電路(IC)的零件和連接。

單晶圓加工與批量晶圓加工：有何區(qū)別？

在傳統(tǒng)的代工廠中，晶圓被集中到前開式晶圓傳送盒(POD)中，同一工藝一次最多可處理25片晶圓。任何調(diào)整或變更都會應用于所有25片晶圓。如果變更不成功，代工廠將對接下來的25片晶圓進行不同的變更。這種處理方法效率高且成本低，非常適合生產(chǎn)大量芯片。它通常用于需要大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，例如存儲芯片和標準邏輯電路。

由于一次可處理多片晶圓，因此每片芯片的成本會下降，設(shè)備成本也可以分攤到更多晶圓上。批量工藝（圖2）是一種成熟可靠的方法，已沿用多年。

但批量處理的一個主要缺點是，同時運行多片晶圓可能會導致工藝條件的細微差異，從而影響質(zhì)量。此外，由于這種方法需要批量處理所有晶圓，因此需要浪費大量晶圓來調(diào)整設(shè)置和進行微調(diào)，因此不太適合小批量生產(chǎn)或頻繁的工藝變更。

在單晶圓工藝中，每個晶圓（或一小組晶圓）單獨運輸。可以對單個晶圓進行調(diào)整，進行測試，如果成功，則應用于所有后續(xù)晶圓。單晶圓可以捕獲更多數(shù)據(jù)，從而訓練AI模型以改進晶圓生產(chǎn)并提高良率。這可以實現(xiàn)非常精確的控制，加快產(chǎn)量提升，同時減少晶圓浪費。這將有助于提高質(zhì)量和良率，同時提供有用的反饋以改進芯片設(shè)計，并最終縮短從設(shè)計到成品的時間。

加快批量生產(chǎn)時間并優(yōu)化晶圓啟動對于制造先進芯片和前沿節(jié)點CPU的經(jīng)濟性至關(guān)重要。

單晶圓加工技術(shù)為何越來越受歡迎

最近，我們看到越來越多的代工廠轉(zhuǎn)向單晶圓工藝。這種轉(zhuǎn)變主要有兩個原因：技術(shù)進步和市場需求的變化。

從技術(shù)角度來看，先進節(jié)點半導體更加復雜，線寬更細，三維結(jié)構(gòu)也更復雜。這意味著工藝條件的容錯率變得極小。需要更多控制措施來確保每片晶圓都得到均勻處理——而這正是單晶圓工藝的優(yōu)勢所在。自從晶圓廠開始使用更大的300毫米晶圓以來，清洗和退火等步驟已經(jīng)從批量工藝轉(zhuǎn)向單晶圓工藝。清洗過去意味著將大量晶圓浸泡在化學溶液中，但自從轉(zhuǎn)向300毫米晶圓以來，工廠越來越多地引進機器，逐片清洗晶圓，以提高精度。

半導體市場也在發(fā)生變化。如今，人們不再大量生產(chǎn)單一的通用芯片，而是越來越傾向于針對特定用途設(shè)計半導體。單晶圓工藝系統(tǒng)使代工廠生產(chǎn)線能夠更輕松地在小批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)之間切換。

單晶圓生產(chǎn)線的運輸

Rapidus是首批在其先進的晶圓代工廠中實現(xiàn)單晶圓加工商業(yè)化的公司之一。該公司將不再像過去那樣批量加工晶圓，而是專注于在每臺機器上逐個加工晶圓。

批量代工廠采用線性（流水線）制造模式。當晶圓傳送盒（FOUP）中的一批晶圓完成一個工序后，它們會等待生產(chǎn)線清空，然后移至下一臺機器并進入下一個工序。FOUP每次可傳送25片晶圓。這種線性模型意味著每個FOUP都要等待前一個FOUP完成其工序。

下一代晶圓代工廠將采用一種新型的網(wǎng)格傳輸系統(tǒng)來傳輸晶圓。想象一下晶圓加工工具上方的一組XY軌道。當晶圓完成一項工藝后，網(wǎng)格將找到通往下一個工具的最快路徑——無需等待。

先進封裝

晶圓完成并測試后，會被切割成單個芯片，稱為“裸片”。這些裸片隨后通過引線鍵合和外部引線安裝在封裝基板上，經(jīng)過測試后，被密封在保護性樹脂中，以便它們能夠在電子設(shè)備中作為半導體發(fā)揮作用。

通常，這種后端處理由外包的半導體封裝和測試(OSAT)公司完成。強大的處理器，例如用于人工智能的處理器，尤其是CPU和GPU，必須與快速內(nèi)存匹配，才能快速處理大量訓練或推理數(shù)據(jù)。這涉及將完整的芯片連接或堆疊在一個封裝內(nèi)，以實現(xiàn)高帶寬、短距離通信，滿足性能和功率要求——這種方法被稱為芯片集成。

未來的晶圓廠將擁有現(xiàn)場2.5和3D封裝服務(wù)，為客戶提供從晶圓到封裝芯片的單一服務(wù)。

晶圓代工發(fā)展的關(guān)鍵時刻

AI芯片設(shè)計的發(fā)展速度比以往任何時候都快，有時甚至只需幾周時間。但制造周期卻未能跟上。雖然我們生產(chǎn)的芯片越來越智能，但晶圓廠的創(chuàng)新卻停滯不前。我們必須開發(fā)先進的代工廠，以滿足生產(chǎn)各種芯片（從傳統(tǒng)的CPU和GPU到定制設(shè)備）所需的靈活性，從而滿足不同客戶的需求。為此，下一代代工廠必須針對新工藝進行優(yōu)化，例如單晶圓加工，并充分利用全自動化和智能傳感器。否則，繼續(xù)采用過時制造方法的代工廠將面臨被淘汰的風險。

這一歷史性時刻，人工智能與硅片的結(jié)合，以及前后端在單一晶圓廠的結(jié)合——未來的晶圓廠。這不僅僅是一個地方，而是一種理念，它重視速度、質(zhì)量、靈活性、智能和集成。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個人觀點，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯(lián)系后臺。

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