光刻支出對芯片行業(yè)的影響

據(jù)semianalysis報道，他們正在密切跟蹤的一個項目是光刻支出如何隨著各種節(jié)點縮小而演變。這項研究最初是從28nm開始，然后從第一代 FinFET 節(jié)點發(fā)展到第一個 EUV 節(jié)點，再到第一個 Gate All Around Nanosheet 節(jié)點（3nm 和 2nm）。根據(jù)檢查的節(jié)點，光刻花費的百分比有很大不同。下圖是關(guān)于該主題的舊 ASML 幻燈片。它似乎排除了許多不同的晶圓廠資本支出，但看起來很有趣。

光刻支出與沉積與蝕刻的演變對 ASML、Lam Research、Applied Materials、Tokyo Electron 等公司的相對表現(xiàn)有很大影響。在我們解決這個問題時，最重要的一個方面是每個 DUV 或 EUV 層的曝光量的單位成本，以及它們的數(shù)量。順便說一句，一些賣方分析師試圖將每個節(jié)點的 EUV 曝光數(shù)量計算到他們的 ASML 模型中，這完全是錯誤的。

傳統(tǒng)觀點認為，更大的dies成本會成倍增加。我們認為我們所有的讀者都知道這一點。較大的die尺寸會增加成本，因為缺陷更有可能影響較大的die。這是小芯片革命背后的主要驅(qū)動之一。

這種傳統(tǒng)的思維過程可能是完全錯誤的。讓我們使用一個帶有圖片的假設(shè)示例來解釋為何有時候較小的die制造成本更高。假設(shè)一個無晶圓廠芯片設(shè)計團隊正在決定是制作單個大型單片芯片還是 2 個小芯片 MCM 設(shè)計。左邊是一個25 毫米 x 32 毫米、800 平方毫米的晶圓。右邊是一個 13.5 毫米 x 32 毫米、432 平方毫米的裸片晶圓。2 個小芯片設(shè)計中每個小芯片的硅片數(shù)量只會增加 8%，這與 AMD 使用其當前小芯片 CPU 所經(jīng)歷的開銷相似。盡管兩個節(jié)點已被模擬為具有相同的每 cm 2 （0.1）缺陷數(shù)，但兩種設(shè)計之間的無缺陷裸片數(shù)量差異很大。

單片設(shè)計每個晶圓有 30 個好的die，而小芯片 MCM 設(shè)計每個晶圓有 79 個好的die。假設(shè)所有有缺陷的die都必須扔進垃圾桶。如果沒有芯片良率收獲，單片設(shè)計的設(shè)計公司每片晶圓只能賣30個產(chǎn)品，而chiplet MCM設(shè)計可以賣39.5個。

通過使用小芯片和 MCM，每個晶圓的產(chǎn)品數(shù)量增加了約 30%。如果假設(shè)每個晶圓的成本為 17，000 美元，那么單片無缺陷硅片的成本為 567 美元，而小芯片 MCM 每個無缺陷硅片的成本為 215 美元，兩個則為 430 美元。顯然，如果我們設(shè)計團隊應(yīng)該選擇小芯片 MCM 選項忽略任何功耗、芯片收獲和包裝成本差異，因為它們可以為每件產(chǎn)品節(jié)省 136 美元！

如果我們告訴你這個小芯片 MCM 設(shè)計更貴怎么辦？

你可能不會相信我們，但讓我們來看看如何。在這個假設(shè)場景中，假設(shè)產(chǎn)品使用代工 5nm 級節(jié)點。假設(shè)這家代工廠以約 17，000 美元的價格出售這些晶圓，毛利率約為 50%。以下是按消耗品或工藝步驟劃分的成本細分，包括工具折舊、維護成本、電力使用、員工成本分配等。

這些數(shù)字與我們的實際估計相差甚遠，但一致的是最大的成本中心是光刻——接近加工晶圓成本的近1/3。光刻成本只是一個平均假設(shè)。根據(jù)您選擇的裸片尺寸，它可能會有很大差異。

光刻工具不加選擇地暴露硅片。它需要知道在哪里用光刻曝光，在哪里不曝光。光掩模是包含芯片設(shè)計并阻擋光線或允許光線通過以暴露硅片的東西。領(lǐng)先的 5nm 代工設(shè)計將有十幾個 EUV 光掩模和另外幾十個 DUV 光掩模。這些光掩模中的每一個都對應(yīng)于晶圓上的一個特征或特征的一部分，并且對于每個芯片設(shè)計都是唯一的。通過光刻和所有其他工藝步驟的循環(huán)，這家代工廠可以在大約 10 周的時間內(nèi)在晶圓上制造出特定的 5nm 芯片。下面是一張 DUV 光掩模的圖片。

標準光掩模為 104 毫米 x 132 毫米。然后，光刻工具通過光掩模曝光，以 4 倍放大率在晶圓上打印特征。該區(qū)域為 26 毫米 x 33 毫米。大多數(shù)設(shè)計不能與 26 毫米 x 33 毫米完美對齊。

為了更好地計算，我們引入了標線（reticle）利用率的概念。

通常，芯片設(shè)計較小，因此光掩模可以包含多個與上圖相同的設(shè)計。即使這樣，大多數(shù)設(shè)計也不能完美地適應(yīng) 26mm x 33m 的場，因此通常該光掩模的一部分也沒有曝光。

如果一個die是 12 毫米 x 16 毫米，我們可以在每個標線片上安裝 4 個die。這里的標線利用率非常高，因為只有一小部分標線沒有暴露。對于 25mm x 32mm 的單片芯片，我們在狹縫和掃描方向上不使用 1mm。那個標線的利用率同樣很高。對于我們的小芯片，它是 13.5 毫米 x 32 毫米。該die太大，無法在標線板上并排放置 2 個die，因此每個標線板只能有 1 個die。下圖顯示了上述示例的一些可視化。

你可能會問，標線利用率低有什么問題？

這成為一個巨大的成本問題，因為當我們縮小到晶圓級的處理過程時會發(fā)生什么。放置在光刻工具和工具中的硅片一次暴露硅片標線區(qū)域的一部分。如果使用完整的 26mm x 33mm 掩模版，則光刻工具以最少的步數(shù)跨過 300mm 硅片，12 個掩模版區(qū)域?qū)捄?10 個掩模版區(qū)域高。如果分劃板利用率較低，則工具必須在每個方向上越過和越過晶片更多次。

將每個晶圓上的 25mm x 32mm 單片芯片與 13.5mm x 32mm 小芯片 MCM 設(shè)計進行比較時，我們需要將晶圓跨過 1.875 倍！

現(xiàn)代 DUV 和 EUV 工具具有狹縫（slit）和掃描（scan）功能。狹縫（26 毫米）是暴露出來的，它掃描（33 毫米）穿過十字線區(qū)域。下面這張Andreas Schilling分享的來自 ASML 的關(guān)于 High-NA EUV 的 gif 展示了這個概念。使用 High-NA EUV，狹縫最大仍為 26mm，掃描減半。生產(chǎn)力的主要損失是晶圓臺必須移動的速度。

想象一下，如果相反，狹縫減半。吞吐量影響會大得多。

在比較我們的單片設(shè)計與小芯片 MCM 設(shè)計時，我們的光刻工具時間顯著增加，因為晶圓必須掃描 1.875 倍。這是因為狹縫的很大一部分沒有得到充分利用。雖然在晶圓加載時間方面仍有一些效率，但光刻工具的大部分成本是掃描時間。因此，每片晶圓的內(nèi)部成本顯著上升。

在這種假設(shè)情況下，代工廠現(xiàn)在每片晶圓的光刻成本要多花 2，174 美元。這是一個巨大的成本增加，代工廠不會為已經(jīng)有非常緊張的利潤交易的大批量客戶忍受。假設(shè)代工廠按利潤率定價，因此無論設(shè)計如何，都能保持 50% 的毛利率。

未充分利用分劃板上的狹縫導致的成本增加意味著代工廠不會以 17，000 美元的價格出售這些晶圓來維持 50.2% 的毛利率。相反，他們將以 21，364 美元的價格出售這些晶圓。單片產(chǎn)品的無缺陷硅成本仍為 567 美元。每個裸片的無缺陷硅成本不是 215 美元，而是 270 美元。每件產(chǎn)品不再是 430 美元，而是 541 美元。

小芯片與單片的決定現(xiàn)在變得更加困難。一旦考慮到封裝成本，單片芯片的制造成本很可能會更便宜。此外，小芯片設(shè)計存在一些電力成本。在這種情況下，構(gòu)建一個大型單片芯片絕對比使用chiplet/MCM 更好。

此示例是選擇用于演示標線利用率點的最壞情況。這種簡單化和假設(shè)性的分析還有很多警告。此外，與其他工藝步驟相比，5nm 之前以及我們進入柵極之后的大多數(shù)其他工藝節(jié)點都具有較低的光刻成本。大多數(shù)小芯片架構(gòu)可能會提高而不是降低標線利用率。