印度唯一的晶圆厂,什么水平?

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自swarajyamag,谢谢。

印度于 2021 年底宣布了一个半导体初始激励方案——一个近 100 亿美元的新半导体计划。到今年 2 月中旬,该计划收到了三项关于建设新的商业硅 CMOS 半导体工厂(芯片制造单位)的提案;这三个人都在等待中央政府的“是/否”决定。

根据Ashwini Vaishnaw部长最近的声明,政府正处于“对申请进行评估的高级阶段”,“我们应该在今年签署第一份协议”。无论哪个申请人获得批准,他们在印度的新工厂在 2026-27 年之前实现大批量生产的机会都非常小。

与此同时,值得仔细研究印度现有的设施和生态系统,以最大限度地提高其生产力和对近期的影响。在本文中,我们将将着眼于介绍半导体实验室 (Semi-Conductor Lab:SCL),这是印度第一家也是目前唯一一家拥有完整的工业级设备和基础设施生产线的半导体芯片工厂。

印度唯一的晶圆厂,什么水平?

SCL Mohali 简史

引用2000 年发布的EETimes的这份报告,SCL 最初代表“Semiconductor Complex Limited”,是印度的公共部门企业 (PSU)。

“SCL 于 1983 年开始生产……1989 年一场神秘的火灾将工厂烧毁,直到 1997 年。起火原因尚不清楚,但有纵火嫌疑,因为当时 SCL 正在为军方设计和开发 VLSI 技术。”相关报告说。

更有趣的是“SCL 1999-2000 年的收入约为 1400 万美元,利润约为 40 万美元”。. 如果这是真的,那么尽管发生火灾,印度在 2000 年还是有一个盈利的晶圆厂。

本文作者提到的下一份文件总结了 2005 年的情况—— “.. 过去 SCL 公司截至 2005 年 3 月 31 日累计亏损 132.39 千万卢比,超过其净资产的 50%,因此,使公司一个可能生病的单位。然而,印度政府考虑到与微电子有关的活动和员工的利益,决定不撤资或出售 SCL 公司。太空部 (DOS) 将 SCL 公司重组为Semi-Conductor Laboratory Society (SCL Society)。

从 2005 年 6 月到 2022 年,SCL 一直是 ISRO 旗下的“半导体实验室”(Semi-Conductor Laboratory),根据本新闻稿,“SCL Mohali 也已从太空部移交给 MeitY,它正在作为商业晶圆厂开放,以供更广泛的参与印度半导体设计公司使用”。

将 SCL 作为商业晶圆厂开放是一个受欢迎的举措。此外,政府还应重新审视SCL作为“'society”的注册模式,以及随之添加的“实验室”。

SCL 的关键技术

目前,根据 SCL 网站,他们有一条用于微机电系统 ( MEMS )的 6 英寸 (150 毫米) 晶圆尺寸生产线和一条用于CMOS的具有 180 纳米 (0.18 微米) 工艺节点的 8 英寸 (200 毫米) 生产线-,后者似乎是在 2010-11 年左右添加的。

一份 2010 年的招标称,“ SAS Nagar 的半导体实验室 (SCL) 正在运营一个 6” 晶圆厂,产能为 2000 wpm,采用 1.2 微米/0.8 微米 CMOS 技术。SCL 计划将其晶圆制造设施升级为 8 英寸晶圆0.18 微米技术节点的晶圆厂。现有的公用事业,如超纯水 (UPW) 处理厂和污水处理厂 (ETP) 将需要相应的增强/扩展以支持 0.18 微米工艺”

有趣的是,招标详细介绍了 UPW 和 ETP 系统的要求。任何读过它的人都会毫不怀疑,印度对“在印度运营晶圆厂所需的生态系统、基础设施和专业知识”并不陌生。

有关添加具有 0.18 微米 (180nm) 技术节点的 8 英寸 (200mm) 晶圆厂生产线的详细信息尚未完全公开。

然而,至少有两篇公共领域的期刊论文暗示,以色列的 Tower Semiconductors 是在这方面帮助 SCL 的行业参与者。这些出版物还对 SCL 的能力以及如何在 SCL 设计和制造芯片提供了很多见解。这些论文是:

1.SCL 180nm CMOS foundry: High reliability ASIC design for aerospace applications : H. S. Jatana and Nilesh M Desai, 2015, published by IEEE in 2015

2.From design to tape-out in SCL 180nm CMOS integrated circuit fabrication technology : Joydeep Basu (IIT Kharagpur), published by IETE Journal of education in 2019

印度唯一的晶圆厂,什么水平?

这也指出了Tower semiconductors 的 180nm 技术和 SCL 之间可能有很多共同点的可能性。使用一方提供的工艺设计套件 (PDK) 完成的设计也应该可以在另一方制造。换句话说,SCL 很可能在其部分或全部 180nm 产品中与 Tower semiconductors共享互操作性。

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SCL 的产能利用率和优化

SCL 网站有一个知情权 (Right To Information:RTI ) 页面,其中包含有关各种事项的信息——组织结构、决策过程、预算,甚至还有截至 2022 年 3 月 31 日的工资单上的员工名单。

然而,“制造设施和其他基础设施的布局、设备细节和照片”在保密项目清单下。RTI 页面当前显示“正在构建的页面”,尽管某些直接链接仍然有效。

晶圆厂的产能通常以每月晶圆开工量 (WSPM) 来衡量,并且没有关于 SCL 的 200 毫米晶圆尺寸 180 纳米工艺节点晶圆厂生产线可能的 WSPM 的公开信息。鉴于迄今为止芯片订单仅限于印度的一些学术、研究和空间应用目的,过去多年实现的 WSPM 可能远低于该设施理论上应该能够交付的水平。

根据技术节点和其他因素,某个 WSPM 所需的确切设备数量可能因工厂而异;但是,这里尝试根据公共领域中可用的信息和一些假设进行近似计算。

用于光刻的扫描仪/步进器通常是最昂贵的。光刻是每个“level”处理的必备步骤,因为这是将设计(逐级)从光掩模转移到硅晶圆(逐个晶圆,成百上千)的地方。

这里的“level”是指有源区、栅极、每个注入、接触、每个金属、通孔等。180 nm 节点通常需要大约 25 个掩模层级的设计才能转移;确切的数字会根据芯片的复杂程度而略有不同。

请参见下图,其中以光刻为中心,并非所有其他关键工艺步骤都适用于每个级别。

用于光刻的扫描仪/步进器中使用的光源取决于所需的分辨率。在 180nm 技术的情况下,具有最小特征尺寸的水平将需要具有 KrF 激光(波长为 248nm,即 Deep紫外线)作为其来源,而像“fat metals”和大面积注入这样的水平可以使用成本低得多的 i-line (365 nm) 步进器来完成。

SCL 使用的扫描仪/步进器的信息并未直接在 SCL 网站上提供,但在“ 2016 年 2 月 4 日在 SCL 举行的投标前会议期间向潜在投标人的询问提供的澄清记录”中提供。ISRO澄清说“ SCL 有 NSR-S204B 尼康扫描仪和 NSR-2205i14E2 步进器”。

根据尼康的网站,NSR-S204B 是一款基于 KrF 的扫描仪,但此处未提及吞吐量值。

像这样的网站和这样的网站都引用了每小时 120 个晶圆 (WPH) 的数字作为其标准吞吐量。NSR-2205i14E2 是 i-line 步进器,其数据表给出的吞吐量数为 103 WPH。在生产线上运行时,我们还需要考虑本文所述的“整体设备效率”(OEE)(下面的摘要图)。

如本文所述,目标通常是实现 60% 或更高的 OEE。假设平均每月 30 天,总吞吐量可以是 720 小时 X (120 wph + 103 wph) X 60%,即 96,336 次全晶圆光刻曝光。除以 25,这是 180nm 芯片(设计)中的平均掩模层数,我们得到每月 3,853 个晶圆的处理能力。

为使晶圆厂的 180nm 生产线达到该产能,必须有足够数量的设备用于其他工艺步骤(蚀刻、注入、扩散、沉积、生长、平面化、计量等)和具有良好整体效率的自动化。

如前所述,与 KrF 扫描仪相比,这些设备的成本可能要低得多。此外,在 25 个掩模层级中,重要的是要适当地使用 KrF 扫描仪来处理需要更高分辨率的关键层级,并为其他层级使用 i-line 步进器。换句话说,优化工具的负载很重要

有趣的是,ISRO 网站上仍有一份 2019 年的“意向书”表示:“半导体实验室 (SCL) ......拥有 8 英寸 CMOS 晶圆制造设施,包括 67 个处理、计量、电气测试、产量和其他辅助设备。SCL 希望实现晶圆厂生产线的自动化,并通过此意向书邀请有兴趣和有能力的各方提交他们的项目提案”。这方面的进一步发展尚不清楚

解决一些经常被视为挑战的因素:

本节涵盖了我听到或读到的一些论点,它们对 SCL 的潜在复兴提出了挑战——在某些情况下也给出了建议。

a) 现有设备是否太旧且接近使用寿命?

ASML 是领先的晶圆厂设备制造商之一,在其网站上有一个标题为“延长产品寿命”的部分,上面写着“维护良好的 ASML 光刻系统可以持续数十年——我们交付的几乎所有系统仍在使用客户晶圆厂”——这不仅适用于 ASML 制造的光刻设备,也适用于其他设备制造商以及大多数其他关键晶圆厂设备。

事实上,根据日经亚洲4 月份的一份报告,“过去两年,由于需求旺盛,二手芯片制造机的价格飙升”。世界各地的晶圆厂将热衷于最大限度地利用现有设备,包括在需要时进行翻新。

b) 180nm 还有市场吗?这不是“过时”的技术吗?

以下是一些有趣的读物——根据ComputerWorld最近的一篇文章,“芯片容量的缺乏主要是针对基于传统逻辑芯片的旧半导体,包括例如 40nm、90nm、150nm、180nm 和 250nm 节点”。SemiEngineering的这篇稍早一些的文章也反映了这一点。

在今年的另一份报告中称“200 毫米短缺可能会持续多年”。澄清一下,“200mm 晶圆厂采用成熟的工艺技术制造设备,从 6µm 到 110nm 节点”(因此包括 180nm),根据SEMI,200mm 晶圆厂的整体产能约为每月 600 万片晶圆

c) SCL 能否占领部分市场?它有良好的业务流程/计划吗?

与全球产能相比,每月 4,000 片晶圆或大约 4-5 年内超过 20 万片晶圆是一个非常小的数字。然而,每个晶圆都会有很多芯片(多少取决于单个芯片的大小,本系列第 2 部分中的示例),这个数量可能能够满足印度国内在可制造类别中的大量需求采用180nm技术。目标还应该是尝试获得一些出口——“印度制造,世界制造”

至少三个因素将是这项工作的关键:

首先是确定可以在 SCL 批量生产的产品。

二是微调SCL的业务计划和运营效率,使其在几年内实现盈利。

第三是有一个有吸引力的业务流程能够匹配客户的期望和满意度。例如,每一步繁琐的招标过程(例如从设计中制造光掩模)可能必须由预定的供应商代替。

第四是SCL 真的需要 500-600 名员工吗?这么多员工和前员工的工资和养老金,会不会让SCL难以盈利?

只有基于对当前员工角色和技能组合的详细分析,才能获得更准确的答案,但这里有一些快速的想法。

为了争论,让我们假设“员工人数超过了减少运营费用的理想人数”——鉴于 SCL 现在处于 MEITY 之下,应该可以将那些对晶圆厂不感兴趣的人重新分配到其他办公室。

作为政府努力发展印度半导体生态系统的一部分,新的机会也可能出现,包括供应链管理、培训等。

除了政府本身的机会外,如果他们愿意的话,他们很有可能能够在未来几年内预计将在印度出现的新私人商业工厂中找到空缺——他们曾为SCL 作为商业晶圆厂将使他们处于独特的优势

2021 年 12 月,看似印度国防爱好者的 Gautam Sarkar 提出了一本名为《印度的半导体研究努力:迄今为止的故事》的汇编。该汇编提供了多个 SCL 制造的芯片示例。

其中一些的商业/批量生产潜力将在本系列的第 3 部分中进行检查,但是尽管它们不是完全自动化的,但它们是在 SCL 成功制造的,这表明很大一部分劳动力非常有能力。

所以,SCL 在 Mohali 的棕地半导体芯片制造设施是一项资产,在有能力的领导和适当的商业计划下,可以以与其运营能力相称的更高产能运行。这也将加强和重申印度对“下一波商业晶圆厂”的准备。

对印度政府而言,他们已经宣布了将 SCL 商业化的目标。现在,印度商业公司应该挺身而出,通过合资企业取得成功,无晶圆厂公司(现有或即将成立的)应该拿出更多具有市场价值的产品,可以在 SCL 大批量制造。

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