本文由半導體產業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自embedded
單晶圓加工重塑芯片制造。
想象一下，一家能夠實時思考、學習、調整和優(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整的新型代工廠。
單晶圓加工是下一代代工廠愿景的關鍵。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據，未來的先進代工廠需要重新思考晶圓在工廠內的移動方式，并調整布局，以便在同一工廠內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（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，以構建構成集成電路(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，非常適合生產大量芯片。它通常用于需要大批量生產的產品，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整設置和進行微調，因此不太適合小批量生產或頻繁的工藝變更。
在單晶圓工藝中，每個晶圓（或一小組晶圓）單獨運輸?？梢詫蝹€晶圓進行調整，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據，從而訓練AI模型以改進晶圓生產并提高良率。這可以實現非常精確的控制，加快產量提升，同時減少晶圓浪費。這將有助于提高質量和良率，同時提供有用的反饋以改進芯片設計，并最終縮短從設計到成品的時間。
加快批量生產時間并優(yōu)化晶圓啟動對于制造先進芯片和前沿節(jié)點CPU的經濟性至關重要。
單晶圓加工技術為何越來越受歡迎
最近，我們看到越來越多的代工廠轉向單晶圓工藝。這種轉變主要有兩個原因：技術進步和市場需求的變化。
從技術角度來看，先進節(jié)點半導體更加復雜，線寬更細，三維結構也更復雜。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從批量工藝轉向單晶圓工藝。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，人們不再大量生產單一的通用芯片，而是越來越傾向于針對特定用途設計半導體。單晶圓工藝系統(tǒng)使代工廠生產線能夠更輕松地在小批量生產和大批量生產之間切換。
單晶圓生產線的運輸
Rapidus是首批在其先進的晶圓代工廠中實現單晶圓加工商業(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，經過測試后，被密封在保護性樹脂中，以便它們能夠在電子設備中作為半導體發(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，必須與快速內存匹配，才能快速處理大量訓練或推理數據。這涉及將完整的芯片連接或堆疊在一個封裝內，以實現高帶寬、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場2.5和3D封裝服務，為客戶提供從晶圓到封裝芯片的單一服務。
晶圓代工發(fā)展的關鍵時刻
AI芯片設計的發(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，以滿足生產各種芯片（從傳統(tǒng)的CPU和GPU到定制設備）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合，以及前后端在單一晶圓廠的結合——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、質量、靈活性、智能和集成。
*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內容系其個人觀點，我方轉載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯系后臺。
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