晶圆（硅片）为什么越来越大？

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-10-11 10:21:48 708

在硅基集成电路生产过程中，硅片（wafer）是关键材料之一。硅片的直径和大小在整个生产工艺中起着至关重要的作用。硅片的尺寸不仅决定了可以生产的芯片数量，也对成本、产能和质量有直接影响。

一、硅片尺寸的历史发展

集成电路生产的早期，使用的硅片直径较小。1960年代中期，硅片的直径通常是25毫米（1英寸）。随着技术进步和对更高效生产的需求增加，硅片的尺寸不断增大。现代半导体制造中，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。

图：硅片的参数

这种尺寸的变化带来了显著的优势。以300毫米的硅片为例，其表面积是50年前1英寸硅片表面积的140多倍。这种面积的增加使得生产效率和成本效益都有了显著提升。

二、硅片尺寸对产量和成本的影响

1. 产量提升

较大的硅片允许在同一片硅片上制造更多的芯片。假设芯片的结构尺寸（即芯片的设计和所需的物理空间）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过两倍的芯片。这意味着更大的硅片可以显著提升产量。

2. 成本降低

硅片面积增大后，产量增加，而制造工艺的一些基本步骤（例如光刻和蚀刻）不随硅片尺寸的变化而变化。这样就可以在不增加工艺步骤的情况下提高生产效率。此外，更大的硅片也使得制造成本能够进一步分摊，从而每个芯片的成本也会降低。

三、硅片边缘效应的改善

当硅片直径增加时，硅片的边缘曲率变小，这对于减少边缘损耗非常重要。因为芯片通常是矩形的，所以在硅片边缘由于曲率的影响，可能无法容纳完整的芯片。在较小的硅片中，这种边缘损耗较大，因为硅片曲率较大。但是在300毫米的硅片中，这种曲率相对较小，因而可以最大限度地减少边缘的损耗。

四、硅片尺寸的选择与工艺设备的匹配

硅片的尺寸影响着设备的选择和生产线的设计。随着硅片直径的增加，所需的设备也需随之调整。例如，用于处理300毫米硅片的设备通常需要更多的空间和不同的技术支持，并且在成本上也较高。但是，这种投资可以通过提高产量和降低单片芯片成本来弥补。

此外，300毫米硅片的制造过程相比200毫米硅片会更加复杂，涉及更高精度的机械手臂和复杂的搬运系统，以确保硅片在整个生产过程中不受损。

五、硅片尺寸的未来趋势

虽然目前300毫米的硅片已经在高端制造中广泛应用，但行业对更大尺寸硅片的探索仍在继续。450毫米硅片的研发工作已经开始，并有望在未来实现商用。硅片尺寸的增加直接提高了生产效率，降低了成本，并且减少了边缘损耗，这些都使得半导体制造变得更加经济和高效。

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