說說半導體建廠的事兒

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2017年註定是一個半導體FAB廠雨後春筍一般建設的高產年，不說北上廣等熱門地方，光說四川今年就傳言有3個12寸的FAB上馬。究其原因一個是2016產能的不足，以及對2017市場的樂觀判斷，另外地方政府和集成電路產業大咖一拍即合的WIN-WIN利益，誰不願在此時推上一把。

話說回來，建一個新工廠意味著時間、金錢和公司資源上的巨大投入。整個公司的成功與否有可能取決於這個新工廠的投資回報率（ROI）。要實現ROI的最大化，需在多個因素之間進行權衡，從最初的工廠設計到後來的生產上量階段。

總的說來，工廠規劃和建設始於一般性問題，然後才是具體細節。在開始階段，設計人員必須了解這家工廠每個月將生產多少晶圓片、這些晶圓片的尺寸是多少,以及採用什麼設計規則和工藝技術。但是，生產量、晶圓片尺寸和工藝技術的最佳組合取決於工廠開始生產時的市場狀況，而此時距離當初的工廠規劃往往已經過去了很長時間。

何時建廠

從建一家工廠到生產上量需要兩年多的時間。然而，技術上的飛躍大約每18個月就有一次，半導體銷售的高峰每24～36個月出現一次。對於兩年以後的未來而言，不管是技術路演還是市場預測都是不足為據的。如果生產的產品其技術已進入衰退，則會給公司的財務狀況帶來災難性的後果。

DRAM產業以產量規劃問題而著名。一般來說，當DRAM的價格在一段時間裡保持穩定或持續走高且需求旺盛時，會有很多工廠如雨後春筍般地冒出來。第一批新工廠加入供應商的行列後，造成供應源的增加和價格的下降；而後期開設的工廠則面臨著更加嚴酷的價格競爭。1996年～1997年，存儲器的售價跌到了其生產成本以下，2001年再度出現這種情況。

這些巨大的金融風險告誡人們要採取相對保守的投資方案。不過，在擴產投資上保持積極策略的公司能夠在需求增長時更加迅速地把產品投放到市場上去。生產能力較大的DRAM供應商就可以利用市場價格的波動為自己謀利。生產能力有助於高附加值晶元（如微處理器）供應商從價格中獲得額外的利潤。

相反，不能滿足需求的晶元供應商則有可能失去眼前及未來的定單。而定單的減少反過來又會限制今後的資金支出和公司的成長發展。

英特爾公司之所以連續不斷地取得成功，原因之一就是它能夠根據市場狀況的好壞隨時建立起自己的生產能力。通過哪怕是在市場衰退的情況下做出的投資，該公司幾乎總能夠在市場機會出現時擁有居於優勢地位的生產能力。

技術的不斷發展也使生產能力的規劃變得更加複雜。更富有進取精神的設計規則能夠在更小的封裝內實現更高的性能，而且單位成本通常更低。更高的性能可以從價格中獲得額外的利潤。對一家技術先進的工廠來說，它最初的18個月是盈利狀況最好並能迅速掙回初期投資的階段。而採用相對陳舊的技術的工廠就不能從價格中贏得額外利潤。而且，與更為先進的工廠相比，其成本上的劣勢也是一個現實情況。

然而，技術上的飛躍同樣也會帶來風險。新的製造工具有可能滿足不了計劃交貨期的要求、不能立即滿足批量生產的要求或不能產生期望的工藝性能。技術上的滯後會使工廠喪失重要的市場。一家公司越是靠近技術前沿，技術上的風險就越大。對許多公司來說，結盟或建立合資企業有助於降低商業和技術上的風險。

建什麼工廠

通過平衡期望的市場機會和商業及技術風險，規劃人員做出了工廠的初步設計規劃。該規劃對工廠的生產能力進行了估算，而此生產能力反過來又決定了設備的數量、晶圓片儲存空間和潔凈室的大小。這些決定使得廠主能夠制定預算並開始工廠框架的設計和建設。

晶圓片的尺寸對廠房面積和最終的生產能力具有顯著的影響。按Dongbu Electronics公司的Peter Hillen的說法：每月30000隻300mm晶圓片的初始生產能力至少相當於每月45000隻200mm晶圓片的初始生產能力。300mm晶圓片工廠能夠支持大得多的產品需求，而且事實上對獲得可接受的投資回報率有著更高的需求。

採用300mm晶圓片的工廠需要大得多的初期投資，特別是在相對不太成熟的自動化和晶圓片軌道傳輸系統（Wafer Tracking System）上。雖然從理論上講，晶圓片的尺寸越大每塊晶元的成本就越低，但何時這些成本上的節省能夠在所有的產品上成為現實尚不清楚。製造廠有可能發現，對於小批量而言，較大尺寸的晶圓片很難做到經濟生產。

如何建廠

在決定了建一個什麼類型的工廠之後，公司必須決定將它建在何處。

比如，金屬版印刷設備要求對環境振動進行仔細的分析和控制，因此高速公路、機場和鐵路會使人覺得工廠選址不合適選址或要求更複雜的防震措施。與此同時，建築隊伍和工廠的僱員都需要高速公路或其他交通基礎設施。而且，工廠今後的經營活動也有相同的要求。震動分析必須考慮工廠自身產生的條件。DPR Construction公司的項目經理Bart Rogers認為：隔震往往是建設階段最耗時最花錢的部分。

同樣，工廠的能源和水資源消耗也對當地產生了巨大的壓力。穩定的能源和充足的水資源獲得將決定需要什麼樣的現場水凈化和動力設施。Rogers說，由於當地公用設施方面的問題而導致的新建工廠計劃被取消或重新選擇廠址的現象屢見不鮮。

工藝設計

鑒於上述的技術和市場風險，設計人員總是儘可能地把工藝上的決策往後推。隨著工廠框架的逐步成形，這些決策的做出變得日益緊迫。尤其對先進的金屬版印刷設備而言，在高速成長期，從設計到投資的時間有可能需要整整一年，而工廠框架建設可能只需短短的6個月。

其它工藝可能對設施有著獨特的要求。比如，許多工廠將銅和CMP區域與潔凈工藝隔離開來。這影響到了隔牆的設置、通風及其它的潔凈室基礎設施。儘管先進的微處理器依賴於銅線互連，但銅還不是一種適合於所有應用的金屬。在很多場合，鋁仍然提供了更低的成本、更好的產出和合適的性能。

工廠的布局總體上取決於設備生產率與循環時間（Cycle Time）之間的權衡折衷。Tower Semiconductor公司一家工廠的經理Ron Niv說：把所有的防濕工作台（Wet Bench）和蝕刻系統放在一起有利於改進工作量的平衡和設備的生產率。然而，這種緊密擺放的方法容易導致循環周期的延長，因為晶圓片需要在各工序之間傳送很長的距離。根據工藝流程有序安放,可以改進較少生產大批量產品的工廠的循環時間。但對於小批量產品生產較多、工藝經常變化的工廠而言則沒有這種必要。布局的決策反過來又控制了廠房設施的基礎結構，特別是設備的定位和設備連結（Equipment Hookups）的設計。

設備安裝

Applied Materials公司的Kirby Hicks認為：典型的工廠項目在建設階段和設備安裝階段之間有一條明顯的分界線。經濟的建設方法是從廠房的一個部分到下一個部分成組地進行公用管線的布局和安裝，並在開始設備連結之前完成。不過，對於整個工廠的成本而言，公用管線設施的建設只是其中較小的一部分，設備和安裝佔到了70%～80%。設備一旦抵達，廠主的投資將直線上升。為使ROI最大化，廠主希望縮短從設備安裝到生產首批產品之間的時間間隔。

Hicks解釋說：與此同時，工廠不必待其所有設備均安裝到位之後再開始工藝的制訂工作。通常情況下，設備安裝完畢之後可能幾個星期都閑置在那裡。工藝師們則在忙於其他事情。對項目來說，在幾個星期的時間裡將設備陸續運抵工廠並予以安裝（而不是讓供應商按照自己過於緊迫的時間表匆忙安裝）可能是一種比較經濟的方法。較好的做法是首先把生產所需的關鍵設備安裝到位，然後再回頭去完成剩下的設備連結。這種看似「漫無目標」（scattershot）的方法雖然增加了建設階段的成本，但卻有可能減少設備增加產量所需的時間，並制定出在節約成本方面更為有效的設備購置時間表。

批准的延誤、設備連結不全以及類似的問題會影響到整個項目的進度和預算。例如，安裝隊到達後發現工廠尚未做好安裝設備的準備，於是他們要麼無事可做地傻等，要麼只好先行返回以待問題得到糾正。通過平衡設備安裝工作量，工廠可首先避免這種錯誤並在錯誤確實發生時將其影響降到最低程度。工廠可在安裝隊出發之前確認安裝準備工作業已就緒。分步安裝可使供應商在較長時間內只在現場保留一支小規模的安裝隊。

生產上量（Production Ramp）

一旦用於製造測試晶元的設備安裝就位，工廠即開始工藝認證。很多工廠採用SRAM電路作為測試工具。但是，SRAM作為一種標準的存儲單元陣列對於具有典型的隨機分布特徵（Random Distribution Feature）的微處理器或系統級晶元（SOC）電路來說可能不是一個好的測試模型。很多潛在的工藝問題均與布局有關。化學機械平面化（Chemical Mechanical Planarization，CMP）中的凹陷和浸蝕、金屬版印刷的光學近似效應（Optical Proximity Effects）、蝕刻負載（Etch Loading）以及許多其他的工藝特性都隨著特徵密度（Feature Density）而改變。過程工藝（Via Process）取決於主要層的特性，以及其本身的布局堆棧式（stacked）或非堆棧式（unstacked）。

PDF公司的解決方案未採用SRAM測試工具，而是採用了一套短迴路測試模塊以隔離電路的不同區域。一個單晶圓片可能包含了用於堆棧式或非堆棧式過程工藝的測試工具、密集和稀疏陣列等等。在完成了整個工藝的適當分段之後，工廠即可開始加工測試工具。

隨著工藝向更高的生產能力邁進，測試工具表明哪些故障更為常見以及工廠應著力改進哪些工藝。把該信息與正在製造的特定產品設計結合起來考慮會更有用處。PDF公司的Dave Joseph介紹說，一家客戶公司每十億個的堆棧式過程工藝發生了500次故障，每十億個非堆棧式過程工藝只發生了15次故障。然而，非堆棧式過程工藝對產量的影響更大，因為製造SOC設計的工廠只採用了極少的堆棧式過程工藝。

產量影響因素矩陣也對可製造性的設計提出了改進方案。例如，採用許多小存儲區的SOC設計不能容許很多的存儲器故障。在每個存儲區設置冗餘單元會大大增加整個電路的面積。但是，設計師可通過放寬位單元設計規則來更有效地提高存儲器的產量。相反地，只有幾個大存儲區的晶元可以在採用更為嚴格的設計規則的條件下，通過增加冗餘單元來提高存儲器的產量，而電路板的面積不會有太大的增加。

Applied Materials公司估計：在工廠生產上量期間，每星期多生產300個晶圓片，對工廠而言就意味著增加675000美元的年收入。工廠越早達到其滿設計能力，就能夠越快地進入投資回收階段，也就越有可能獲得更多的利潤。

可以把工廠的建設形容為一個沒有賭注限額的牌桌，選手們必須不斷地增加賭注，否則將被淘汰出局。快速的發展軌道設計、高效的建設以及產量的迅速提高將有助於贏得一種平衡。