強有力的合作已被證明，可以有效解決建構18吋 (450mm) 半導體晶圓廠時所須面對的先天性挑戰。在過去的一年當中，450mm設施聯盟（F450C，聚焦於設施上的全球 450mm聯盟分支機構）提供了測試和分析工具要求的統一論壇、高架式輸送系統和能源效率策略。全球450mm聯盟是一個總部設於紐約州的公共 / 私有計劃，並由Global Foundries、IBM、英特爾、三星、台積電和設於紐約州立大學奧爾巴尼分校校園內的奈米科學與工程學院 （CNSE）所領導，聯盟持續專注在18吋製程與設備的開發（圖一）。結合這些單位的初步結果，可用來建構這個次世代晶圓廠的框架。

圖一：奈米科學與工程學院的奈米晶圓廠擴充（NanoFab Xtension），擁有25,000平方英尺的潔淨室作為
18吋晶圓廠研究和開發之用。資料來源：CNSE。

F450C成立於2013年，隨即面臨著一系列的重大技術考驗。

18吋晶圓廠的目的是為了用更低的成本與更輕盈的環境碳足跡，來製造更先進的積體電路。然而，最初的18吋設備準則導向了更高之每平方英尺（公尺）成本的潔淨室空間、更重的結構性負荷和更龐大的設備尺寸，這些問題會減損業界所尋求的彈性。在業界領導者之間的潛在願景競爭，以及市場上對半導體需求的週期性需求，均會讓廣泛採用18吋晶圓的路途上遭遇逆風。這些因素形成了確保18吋計劃目標得以實現之前所需要進行的管理挑戰。

協同合作方式

當半導體製造製程的複雜性增加了18吋晶圓的規模，其設施的需求似乎變得更龐大。目前12吋 (300mm) 晶圓廠的規模顯示，尺寸和複雜性的管理是實現 18吋應用所需效率的關鍵。例如，開車經過位於紐約上州Global Foundries 的大規模晶圓廠，給人的感覺更像是接近一座競技場而不是製造工廠（圖二）。

圖二：Global Foundries 公司位於紐約州馬耳他的Fab8.1晶圓廠。

當然，業界人士正仔細地確認隨著晶片尺寸的增加，對於設施基礎建設所造成的影響，因為僅僅是將製造製程加以放大是不實際的。18吋晶圓廠的規模和其相關的水電消耗預測，將會超過其承受能力，並讓永續性的考量惡化而無法密切聚焦在潛在的效率上。

參與制定和實施18吋基礎建設需求的設施專家們，都正面臨著跟積體電路和設備製造商類似程度的挑戰。

設計和施工的專業人士透過G450C展現出前所未有的協同合作水準，以解構伴隨18吋應用而來的半導體設施的問題。這個成立於2013年夏天的聯盟， 團結了業界的集體專業知識，以應付迫切的18吋設施和基礎建設問題。特別是著重在安全性、成本、時程安排、永續性和對環境影響的碳足跡上，這個小組的目標是：降低生產成本、提高生產效率、並降低因製造每一個晶片所造成的環境負荷。

一切都開始於製程層級

18吋矽晶圓和基礎建設的發展初期開始於十年前，但直到2013年時，18吋和12吋製程設備才開始藉由 CNSE的技術發展而同步進展。半導體設施的功能、運作和形狀，均是由製程技術和其相對應的製造需求所驅動。而由內而外的設計進展，首先是由製程開始，並以下列的順序進行：

1. 製程：矽晶圓和基礎建設的早期發展定義了實用的製程需求
2.  設備與自動化：製程需求決定了製程設備／工具
3.  生產環境：製程設備定義了製造環境和關鍵的製程系統（電力、水、真空、化學品和氣體）
4.  工廠的基礎建設：發展設施及其相對應的現場需求

設備供應商已開始提供設備讓G450C可以建構18吋晶圓廠的基礎生產線。業界對於一些18吋設備的指導原則，是維持12吋晶圓廠的佔地面積下，具有相同的產出量。藉由與原始設備製造商（OEMs）和供應商的合作之後，則會清楚發現製造晶圓所需要的一些設備將會更龐大，而且很多零件會比12吋晶圓廠的對應零件還來得重。這導致半導體設備暨材料協會（SEMI）的成員，在2012年底時在一項潛在18吋標準化重點領域調查中，將「起重機和升降機」的課題設為優先項目。G450C的成員同意，業界的一致性對於處理18吋設備零件的運送是必須的，因為其比起目前可用人工方式舉起的零件還要更大又更重。

在2014年3月時，一個包括IC製造商、原始設備製造商和設施系統供應商的多面向工作小組，發佈了運用於18吋晶圓廠設備的零件吊掛系統的初步組合。零件吊掛工作小組討論了一些IC製造商關於高架軌道自動化系統、天花板承載和晶圓廠佈局彈性相互干擾的考量。這導致其幾乎立刻決定配置在天花板上的吊掛起重機一般是無法運用於晶圓廠內。然後再針對零件吊掛的三大類型進行確認：

1. 一般性與設備整合且通常配置在設備上，以做為特定零件運送操作的輕型客制化固定裝置
2.  在設備周圍的通道上移動的移動式升降機制，具有多重配置能力以處理有點重的載重
3.  起重門架類似結構解決了大型（如叢集式）設備的全跨距問題，能夠處理繁重的吊掛和輸送承載且不僅在設備周圍

在10個月期間，該零件吊掛工作小組在其2014年3月發佈的準則中，定義了擁有成本的模型、安全迫切需要、生產力建議和其他重要的考量。雖然還有更多的工作在等待著，但此項努力已展示了一個產業合作奠定18吋成功基礎的新時代。

表一

正確地調整水電設施規模

18吋晶圓計劃要能夠成功的關鍵，是要有能力依先前技術所獲得的產業知識和經驗來建立一個高效率的生產設施。過去檢查獨特的公用設施系統，然後再尋找改善其個別效率的做法是不夠的。設施設計人員必須考量製程設備和設施系統要如何以整體的方式來進行交互作用。

在2013年的秋天，F450C與所有前述18吋協會的企業成員一起進行了一項調查，以建立一個基於產業優先重點領域的技術藍圖。多位接受調查的會員 確認了18吋工廠的合適公用設施規模是F450C的第一要務。簡單地說，我們需要更聰明的公用設施消耗數據，讓更有效率且以整體工廠方式運作的 18吋工廠成為可能，而不是獨特的系統。

因此在2013年秋季創建了一個「合適規模公用設施」的聚焦小組，並一直致力於刻畫真實的18吋公用設施消耗和需求的特性。而在運用由內而外的設計程序時，其第一個步驟是要針對所有關鍵的18吋製程設備進行即時量測。

在半導體製造製程中的一個關鍵步驟是濕式製程，在此製程中液體化學品從晶圓上移除材料。此一步驟是眾所周知會大量使用電力、水、排放和化學品。G450C和F450C的成員正在CNSE的第一台18吋濕式製程設備上安裝一系列的監測裝置。

Haws公司是F450C的成員公司，它捐贈了一系列污水監測系統，以進行廢酸中和的排放、HF排放和排氣的公用設施特性監測。藉由取得污水排放的特性， 產業即能夠更智慧地確認再利用、回收和重覆使用的機會。M+W 集團、CH2M Hill公司和G450C正合作在同樣的設備上安裝功耗和流量計。在2014年第二季時，該集團將會在待機、正常運轉和峰值模式下進行即時的公用設施量 測，並結合12吋晶圓廠的數據進行標竿比較，以裝配我們產業界有史以來最全面的工廠公用設施模型。

為了說明為何此一措施是一個優先項目，考量製程設備的電力消耗若能降低10%時，將能夠減少設施建設的資本支出約2%。對於一座10億美元的晶圓廠來說，這 相當於大約2000萬美元的影響。而當製程設備的超純水（UPW）消耗降低10%時，將能夠減少超純水系統約7% 的成本，以及0.3%的設施建設資本支出。

濕式製程只是一個開始。這種監測方法學在未來幾年內，將會重複地在所有關鍵的18吋製程設備上進行。

才剛開始

如何設計一個安全的方式來安裝並在18吋製程設備上工作，以及結合量測和公用設施的消耗特性，是改善設施的永續性和效率的兩個重要優先項目。但目前也才剛開始而已。

Edwards真空公司是F450C的創始會員，亦提供其專業知識來推動「節能模式」計劃，其聚焦在降低資源使用和節約能源。在半導體工廠中大約有一半的 製程設備會使用真空幫浦和排氣處理系統以處理廢氣。排氣處理系統是被設計成在全製程容量下運轉的，甚至當設備沒有在處理晶圓時也是一樣。這些「附屬廠房」 （sub-fab）系統對公用設施的使用（電源、製程冷卻水、酸性廢水處理與氮氣）具有顯著的影響。讓次晶圓廠系統在沒有晶圓要處理時進入待機或節能模 式，即能夠大幅降低營運和基礎建設的成本。節能模式計劃是一項多家設備供應商的合作案，並具有下列目標：

1. 確認在製程腔體中真空操作的改變所造成的影響，即節能模式
2.  考量其他能夠提供真空系統的「健康」與效能訊息的監測參數
3.  收集數據以更了解製程條件和真空效能之間的相關性

由此計劃所得出的結果將會推動降低製程風險，同時加入節約公用設施消耗的SEMI標準。

在實現18吋負擔能力的途徑上，將會持續需要從供應商到科學家之間無與倫比的產業合作。除了本文所描述的設施和基礎建設的挑戰之外，半導體產業的領導者仍持續將能夠進一步降低未來18吋晶圓廠資本支出的項目，放進優先的技術藍圖中。

G450C和F450C也和全球空氣分子污染組織和論壇合作，以研究設施的相關設計（自動化材料運送系統/儲料槽評估、零組件清洗設計等）能夠如何降低缺陷率，並提高產品良率。

當18吋的技術藍圖被進一步定義時，未來將會有更多的設施和基礎建設計劃會實施。

G450C和F450C將持續進行全球性的協調，以確保符合成本效益地從12吋設施轉換到18吋。在不確定的經濟時期，很興奮能夠見證到通常在自 由市場上相互競爭的公司已經聯手，為了提供未來安全、具成本效益和永續性的晶圓廠而進行無與倫比的協同合作。SST-AP/Taiwan

原文請參閱《半導體科技雜誌 SST-AP Taiwan》

Facebook 按讚馬上加入北美智權報粉絲團