印度唯一的晶圓廠，什么水平？

  ICC訊  印度于 2021 年底宣布了一個半導(dǎo)體初始激勵方案——一個近 100 億美元的新半導(dǎo)體計劃。到今年 2 月中旬，該計劃收到了三項關(guān)于建設(shè)新的商業(yè)硅 CMOS 半導(dǎo)體工廠(芯片制造單位)的提案;這三個人都在等待中央政府的“是/否”決定。

  根據(jù)Ashwini Vaishnaw部長最近的聲明，政府正處于“對申請進行評估的高級階段”，“我們應(yīng)該在今年簽署第一份協(xié)議”。無論哪個申請人獲得批準(zhǔn)，他們在印度的新工廠在 2026-27 年之前實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的機會都非常小。

  與此同時，值得仔細(xì)研究印度現(xiàn)有的設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)，以最大限度地提高其生產(chǎn)力和對近期的影響。在本文中，我們將著眼于介紹半導(dǎo)體實驗室 (Semi-Conductor Lab：SCL)，這是印度第一家也是目前唯一一家擁有完整的工業(yè)級設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施生產(chǎn)線的半導(dǎo)體芯片工廠。

  SCL Mohali 簡史

  引用2000 年發(fā)布的EETimes的這份報告，SCL 最初代表“Semiconductor Complex Limited”，是印度的公共部門企業(yè) (PSU)。

  “SCL 于 1983 年開始生產(chǎn)……1989 年一場神秘的火災(zāi)將工廠燒毀，直到 1997 年。起火原因尚不清楚，但有縱火嫌疑，因為當(dāng)時 SCL 正在為軍方設(shè)計和開發(fā) VLSI 技術(shù)?！毕嚓P(guān)報告說。

  更有趣的是“SCL 1999-2000 年的收入約為 1400 萬美元，利潤約為 40 萬美元”。. 如果這是真的，那么盡管發(fā)生火災(zāi)，印度在 2000 年還是有一個盈利的晶圓廠。

  本文作者提到的下一份文件總結(jié)了 2005 年的情況—— “.. 過去 SCL 公司截至 2005 年 3 月 31 日累計虧損 132.39 千萬盧比，超過其凈資產(chǎn)的 50%，因此，使公司一個可能生病的單位。然而，印度政府考慮到與微電子有關(guān)的活動和員工的利益，決定不撤資或出售 SCL 公司。太空部 (DOS) 將 SCL 公司重組為Semi-Conductor Laboratory Society (SCL Society)。

  從 2005 年 6 月到 2022 年，SCL 一直是 ISRO 旗下的“半導(dǎo)體實驗室”(Semi-Conductor Laboratory)，根據(jù)本新聞稿，“SCL Mohali 也已從太空部移交給 MeitY，它正在作為商業(yè)晶圓廠開放，以供更廣泛的參與印度半導(dǎo)體設(shè)計公司使用”。

  將 SCL 作為商業(yè)晶圓廠開放是一個受歡迎的舉措。此外，政府還應(yīng)重新審視SCL作為“'society”的注冊模式，以及隨之添加的“實驗室”。

  SCL 的關(guān)鍵技術(shù)

  目前，根據(jù) SCL 網(wǎng)站，他們有一條用于微機電系統(tǒng) ( MEMS )的 6 英寸 (150 毫米) 晶圓尺寸生產(chǎn)線和一條用于CMOS的具有 180 納米 (0.18 微米) 工藝節(jié)點的 8 英寸 (200 毫米) 生產(chǎn)線-，后者似乎是在 2010-11 年左右添加的。

  一份 2010 年的招標(biāo)稱，“ SAS Nagar 的半導(dǎo)體實驗室 (SCL) 正在運營一個 6” 晶圓廠，產(chǎn)能為 2000 wpm，采用 1.2 微米/0.8 微米 CMOS 技術(shù)。SCL 計劃將其晶圓制造設(shè)施升級為 8 英寸晶圓0.18 微米技術(shù)節(jié)點的晶圓廠?，F(xiàn)有的公用事業(yè)，如超純水 (UPW) 處理廠和污水處理廠 (ETP) 將需要相應(yīng)的增強/擴展以支持 0.18 微米工藝”

  有趣的是，招標(biāo)詳細(xì)介紹了 UPW 和 ETP 系統(tǒng)的要求。任何讀過它的人都會毫不懷疑，印度對“在印度運營晶圓廠所需的生態(tài)系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)知識”并不陌生。

  有關(guān)添加具有 0.18 微米 (180nm) 技術(shù)節(jié)點的 8 英寸 (200mm) 晶圓廠生產(chǎn)線的詳細(xì)信息尚未完全公開。

  然而，至少有兩篇公共領(lǐng)域的期刊論文暗示，以色列的 Tower Semiconductors 是在這方面幫助 SCL 的行業(yè)參與者。這些出版物還對 SCL 的能力以及如何在 SCL 設(shè)計和制造芯片提供了很多見解。這些論文是：

  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

  這也指出了Tower semiconductors 的 180nm 技術(shù)和 SCL 之間可能有很多共同點的可能性。使用一方提供的工藝設(shè)計套件 (PDK) 完成的設(shè)計也應(yīng)該可以在另一方制造。換句話說，SCL 很可能在其部分或全部 180nm 產(chǎn)品中與 Tower semiconductors共享互操作性。

  SCL 的產(chǎn)能利用率和優(yōu)化

  SCL 網(wǎng)站有一個知情權(quán) (Right To Information：RTI ) 頁面，其中包含有關(guān)各種事項的信息——組織結(jié)構(gòu)、決策過程、預(yù)算，甚至還有截至 2022 年 3 月 31 日的工資單上的員工名單。

  然而，“制造設(shè)施和其他基礎(chǔ)設(shè)施的布局、設(shè)備細(xì)節(jié)和照片”在保密項目清單下。RTI 頁面當(dāng)前顯示“正在構(gòu)建的頁面”，盡管某些直接鏈接仍然有效。

  晶圓廠的產(chǎn)能通常以每月晶圓開工量 (WSPM) 來衡量，并且沒有關(guān)于 SCL 的 200 毫米晶圓尺寸 180 納米工藝節(jié)點晶圓廠生產(chǎn)線可能的 WSPM 的公開信息。鑒于迄今為止芯片訂單僅限于印度的一些學(xué)術(shù)、研究和空間應(yīng)用目的，過去多年實現(xiàn)的 WSPM 可能遠(yuǎn)低于該設(shè)施理論上應(yīng)該能夠交付的水平。

  根據(jù)技術(shù)節(jié)點和其他因素，某個 WSPM 所需的確切設(shè)備數(shù)量可能因工廠而異;但是，這里嘗試根據(jù)公共領(lǐng)域中可用的信息和一些假設(shè)進行近似計算。

  用于光刻的掃描儀/步進器通常是最昂貴的。光刻是每個“l(fā)evel”處理的必備步驟，因為這是將設(shè)計(逐級)從光掩模轉(zhuǎn)移到硅晶圓(逐個晶圓，成百上千)的地方。

  這里的“l(fā)evel”是指有源區(qū)、柵極、每個注入、接觸、每個金屬、通孔等。180 nm 節(jié)點通常需要大約 25 個掩模層級的設(shè)計才能轉(zhuǎn)移;確切的數(shù)字會根據(jù)芯片的復(fù)雜程度而略有不同。

  請參見下圖，其中以光刻為中心，并非所有其他關(guān)鍵工藝步驟都適用于每個級別。

  用于光刻的掃描儀/步進器中使用的光源取決于所需的分辨率。在 180nm 技術(shù)的情況下，具有最小特征尺寸的水平將需要具有 KrF 激光(波長為 248nm，即 Deep紫外線)作為其來源，而像“fat metals”和大面積注入這樣的水平可以使用成本低得多的 i-line (365 nm) 步進器來完成。

  SCL 使用的掃描儀/步進器的信息并未直接在 SCL 網(wǎng)站上提供，但在“ 2016 年 2 月 4 日在 SCL 舉行的投標(biāo)前會議期間向潛在投標(biāo)人的詢問提供的澄清記錄”中提供。ISRO澄清說“ SCL 有 NSR-S204B 尼康掃描儀和 NSR-2205i14E2 步進器”。

  根據(jù)尼康的網(wǎng)站，NSR-S204B 是一款基于 KrF 的掃描儀，但此處未提及吞吐量值。

  像這樣的網(wǎng)站和這樣的網(wǎng)站都引用了每小時 120 個晶圓 (WPH) 的數(shù)字作為其標(biāo)準(zhǔn)吞吐量。NSR-2205i14E2 是 i-line 步進器，其數(shù)據(jù)表給出的吞吐量數(shù)為 103 WPH。在生產(chǎn)線上運行時，我們還需要考慮本文所述的“整體設(shè)備效率”(OEE)(下面的摘要圖)。

  如本文所述，目標(biāo)通常是實現(xiàn) 60% 或更高的 OEE。假設(shè)平均每月 30 天，總吞吐量可以是 720 小時 X (120 wph + 103 wph) X 60%，即 96,336 次全晶圓光刻曝光。除以 25，這是 180nm 芯片(設(shè)計)中的平均掩模層數(shù)，我們得到每月 3,853 個晶圓的處理能力。

  為使晶圓廠的 180nm 生產(chǎn)線達到該產(chǎn)能，必須有足夠數(shù)量的設(shè)備用于其他工藝步驟(蝕刻、注入、擴散、沉積、生長、平面化、計量等)和具有良好整體效率的自動化。

  如前所述，與 KrF 掃描儀相比，這些設(shè)備的成本可能要低得多。此外，在 25 個掩模層級中，重要的是要適當(dāng)?shù)厥褂?KrF 掃描儀來處理需要更高分辨率的關(guān)鍵層級，并為其他層級使用 i-line 步進器。換句話說，優(yōu)化工具的負(fù)載很重要

  有趣的是，ISRO 網(wǎng)站上仍有一份 2019 年的“意向書”表示：“半導(dǎo)體實驗室 (SCL) ......擁有 8 英寸 CMOS 晶圓制造設(shè)施，包括 67 個處理、計量、電氣測試、產(chǎn)量和其他輔助設(shè)備。SCL 希望實現(xiàn)晶圓廠生產(chǎn)線的自動化，并通過此意向書邀請有興趣和有能力的各方提交他們的項目提案”。這方面的進一步發(fā)展尚不清楚

  解決一些經(jīng)常被視為挑戰(zhàn)的因素：

  本節(jié)涵蓋了我聽到或讀到的一些論點，它們對 SCL 的潛在復(fù)興提出了挑戰(zhàn)——在某些情況下也給出了建議。

  a) 現(xiàn)有設(shè)備是否太舊且接近使用壽命?

  ASML 是領(lǐng)先的晶圓廠設(shè)備制造商之一，在其網(wǎng)站上有一個標(biāo)題為“延長產(chǎn)品壽命”的部分，上面寫著“維護良好的 ASML 光刻系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)十年——我們交付的幾乎所有系統(tǒng)仍在使用客戶晶圓廠”——這不僅適用于 ASML 制造的光刻設(shè)備，也適用于其他設(shè)備制造商以及大多數(shù)其他關(guān)鍵晶圓廠設(shè)備。

  事實上，根據(jù)日經(jīng)亞洲4 月份的一份報告，“過去兩年，由于需求旺盛，二手芯片制造機的價格飆升”。世界各地的晶圓廠將熱衷于最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，包括在需要時進行翻新。

  b) 180nm 還有市場嗎?這不是“過時”的技術(shù)嗎?

  以下是一些有趣的讀物——根據(jù)ComputerWorld最近的一篇文章，“芯片容量的缺乏主要是針對基于傳統(tǒng)邏輯芯片的舊半導(dǎo)體，包括例如 40nm、90nm、150nm、180nm 和 250nm 節(jié)點”。SemiEngineering的這篇稍早一些的文章也反映了這一點。

  在今年的另一份報告中稱“200 毫米短缺可能會持續(xù)多年”。澄清一下，“200mm 晶圓廠采用成熟的工藝技術(shù)制造設(shè)備，從 6μm 到 110nm 節(jié)點”(因此包括 180nm)，根據(jù)SEMI，200mm 晶圓廠的整體產(chǎn)能約為每月 600 萬片晶圓

  c) SCL 能否占領(lǐng)部分市場?它有良好的業(yè)務(wù)流程/計劃嗎?

  與全球產(chǎn)能相比，每月 4,000 片晶圓或大約 4-5 年內(nèi)超過 20 萬片晶圓是一個非常小的數(shù)字。然而，每個晶圓都會有很多芯片(多少取決于單個芯片的大小，本系列第 2 部分中的示例)，這個數(shù)量可能能夠滿足印度國內(nèi)在可制造類別中的大量需求采用180nm技術(shù)。目標(biāo)還應(yīng)該是嘗試獲得一些出口——“印度制造，世界制造”

  至少三個因素將是這項工作的關(guān)鍵：

  首先是確定可以在 SCL 批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。

  二是微調(diào)SCL的業(yè)務(wù)計劃和運營效率，使其在幾年內(nèi)實現(xiàn)盈利。

  第三是有一個有吸引力的業(yè)務(wù)流程能夠匹配客戶的期望和滿意度。例如，每一步繁瑣的招標(biāo)過程(例如從設(shè)計中制造光掩模)可能必須由預(yù)定的供應(yīng)商代替。

  第四是SCL 真的需要 500-600 名員工嗎?這么多員工和前員工的工資和養(yǎng)老金，會不會讓SCL難以盈利?

  只有基于對當(dāng)前員工角色和技能組合的詳細(xì)分析，才能獲得更準(zhǔn)確的答案，但這里有一些快速的想法。

  為了爭論，讓我們假設(shè)“員工人數(shù)超過了減少運營費用的理想人數(shù)”——鑒于 SCL 現(xiàn)在處于 MEITY 之下，應(yīng)該可以將那些對晶圓廠不感興趣的人重新分配到其他辦公室。

  作為政府努力發(fā)展印度半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的一部分，新的機會也可能出現(xiàn)，包括供應(yīng)鏈管理、培訓(xùn)等。

  除了政府本身的機會外，如果他們愿意的話，他們很有可能能夠在未來幾年內(nèi)預(yù)計將在印度出現(xiàn)的新私人商業(yè)工廠中找到空缺——他們曾為SCL 作為商業(yè)晶圓廠將使他們處于獨特的優(yōu)勢

  2021 年 12 月，看似印度國防愛好者的 Gautam Sarkar 提出了一本名為《印度的半導(dǎo)體研究努力：迄今為止的故事》的匯編。該匯編提供了多個 SCL 制造的芯片示例。

  其中一些的商業(yè)/批量生產(chǎn)潛力將在本系列的第 3 部分中進行檢查，但是盡管它們不是完全自動化的，但它們是在 SCL 成功制造的，這表明很大一部分勞動力非常有能力。

  所以，SCL 在 Mohali 的棕地半導(dǎo)體芯片制造設(shè)施是一項資產(chǎn)，在有能力的領(lǐng)導(dǎo)和適當(dāng)?shù)纳虡I(yè)計劃下，可以以與其運營能力相稱的更高產(chǎn)能運行。這也將加強和重申印度對“下一波商業(yè)晶圓廠”的準(zhǔn)備。

  對印度政府而言，他們已經(jīng)宣布了將 SCL 商業(yè)化的目標(biāo)?，F(xiàn)在，印度商業(yè)公司應(yīng)該挺身而出，通過合資企業(yè)取得成功，無晶圓廠公司(現(xiàn)有或即將成立的)應(yīng)該拿出更多具有市場價值的產(chǎn)品，可以在 SCL 大批量制造。