300mm晶圆厂架构的比较分析

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1、300mm晶圓廠架構的比較分析：製程設備對於晶圓成本和動態效能的影響ByRobertBachrach,MarkPool,KarenGenovese*,JCMoran,AppliedMaterials,Inc.;MichaelD.O'Halloran,ThomasJ.Connolly,IDC介紹半導體晶圓廠是一個非常複雜的製造環境，其包含250至300種製程機台，需執行50至60種不同製程步驟。在深入設計和興建新的晶圓廠前，晶片製造商需要做許多面向的考量，因為設備的選擇會影響晶圓廠的面積、成本、生產效率和最終產品成本。一座300mm晶圓廠的成本大約20億美元，其中製程設備的採購和安裝架設

2、（facilitization）就佔了16億美元；對於一座每月投產30,000片300mm晶圓的晶圓廠，它的每年生產成本約6.78億美元，不包括製程設備或其它設施的運轉成本。本文將說明300mm晶圓廠模型的建立和模擬，並利用邏輯元件處理流程來探討如何讓製程設備發揮最大成本效益和生產效率。製造模型的建立方法應用材料和IDC目前正共同合作以發展300mm晶圓廠的製造模型為目標，這項計劃將運用雙方的知識和經驗來描述晶圓廠營運成本的假設。首先是定義製造模型的假設和需求、製造流程和目標晶圓數量，此計劃定義的300mm晶圓廠在2002-2003年間的每月最大產量為30,000片晶圓，所模擬的製程為

3、0.15微米、7層金屬雙崁刻銅邏輯元件，採用典型的晶圓廠準則，包括產出、週期時間和利用率目標。第一階段是關於各種運轉策略，包括錯誤容忍率和整體平衡（linebalance），另外還有在相同機台上面執行多項步驟的方式，它會決定機台利用率和設備調度的優劣取捨。圖1是為晶圓廠建立模擬模型的主要步驟。圖1：晶圓廠成本分析的模型建立方法我們根據以下假設來設定工廠模型和設施規劃的邊界條件：1.典型量產製造設施的錯誤容忍率和整體平衡策略。2.自動化材料處理系統（AMHS），模型發展已包含晶圓儲存櫃的傳送和使用。3.配合成熟製程常見處理的量測步驟。4.符合FOUP的晶圓盒和無塵室設計，每個晶圓盒可容納

4、25片晶圓。其它關於晶圓廠的一般性假設為：v穩定生產時的平均晶舟週期時間應在18至24天之間，也就是4至6倍的理論週期時間v製程機台的平均利用率應在40%左右，總利用率約60%v瓶頸機台應是微影設備，以及其它利用率超過80%之製程機台晶圓廠的WIP水準約在800至1,500個晶舟之間。使用靜態製造模型的設備數量完成這些定義後，即可利用靜態產能製造模型來執行第一回的設備數量調整，可供選擇的兩組設備都能滿足目標製造要求。確定產品製造流程後，就可以開始評估設備種類和數量，然後選擇一組合適的機台。機台選擇的判斷準則需要很高階的技術能力。根據所指定的每月30,000片晶圓產能，我們利用靜態產能模

5、型來協助決定最初所須的機台數量，所參考的標準包括每套機台的處理容量、製程時間需求、維修時程規劃和其它輸入資訊。離散事件模擬和機台數量調整在半導體產業，離散事件（動態）模擬模型常被用來分析晶圓廠內以時間為基準的作業行動，例如產品運送和製造程序時間。週期時間和利用目標提供一個架構，可用來決定是否需要增加或減少機台；從靜態產能模型的結果出發，先執行動態模擬至穩定狀態，然後根據報告結果來調整機台數量。應用材料的TurboModules離散事件模擬工具被用來精確決定機台需求，並驗證目標週期時間、WIP和機台利用率。成本製造模型假設完成製造流程定義、設備和相關生產力資料蒐集和確認、設備選擇、晶圓廠

6、規模等各種資訊的驗證和修訂後，即可將這些資料輸入成本製造模型，並由專家詳細檢查這些成本製造模型資料。以下是成本製造模型的各種輸入資料：1)製造流程和設備選擇2)設備成本，不是指平均銷售價格，而是市價3)材料成本，包括製程耗材在內，例如光阻、研磨液、製程氣體和光罩4)300mm晶圓成本，每片晶圓500美元5)保守的全新晶圓廠設施成本估計：廠房面積11,500平方公尺，基本興建費用2.2億美元，特殊設備和系統另外需要9,900萬美元6)晶圓廠商每週運轉時間168小時，採四班制7)設備可用率（equipmentavailability）以60%為目標各種技術的成本分配此處將說明各種成本分配，

7、包括元件結構、設備資金成本和製程技術成本的分配。根據元件結構的處理成本-最初的成本分配顯示，金屬化所佔比例最高，達到總成本的43%，其次是佔31%的前段結構，300mm晶圓的成本比重也很大，佔25%（圖2）。圖2：各種元件結構的處理成本設備資金和設施建置成本（FacilitizationCost）-微影所佔的比例最高，因為它的平均成本約是其它300mm製程機台的三倍（圖3）。圖3：按照製程分類的設備資金成本分配（包括金屬化），其中微影的比重最大