材料: 主要是锗。 手工操作,产量极低,主要用于研发和早期商业应用。
硅时代的开始与初步规模化(1960s):2英寸(50mm)
硅材料因其优异的性能和丰富的资源逐渐取代锗。 2英寸晶圆成为主流。平面工艺开始发展,光刻技术引入。
自动化与规模化(1970s):3英寸(76mm)-> 4英寸(100mm)
3英寸在1970年代早期开始应用,4英寸在1970年代中后期成为主流。自动化晶圆处理设备(如自动传送系统、步进光刻机雏形)开始普及,显著提高了生产效率和良率。工艺控制能力提升。
黄金时代与标准化(1980s):5英寸(125mm)-> 6英寸(150mm)
5英寸在1980年代早期使用,但过渡期较短。6英寸:在1980年代中期迅速成为绝对主流,并持续了相当长时间(直到2000年代初)。步进式光刻机广泛应用,显著提升了光刻精度和产能。
6英寸晶圆在成本、产量和技术成熟度上达到了非常好的平衡。
向更大尺寸跃进(1990s):8英寸(200mm)
1990年代初开始引入,1990年代中后期成为新的主流。
200mm晶圆厂至今仍在大量运行,用于成熟制程、模拟/RF、功率半导体、MEMS等产品。
现代主流与规模经济(2000s - 现今):12英寸(300mm)
1999-2000年由Intel和IBM等率先试产,2002年左右开始量产,2008年左右成为先进逻辑和存储器制造的绝对主流。
目前全球绝大多数先进制程(7nm, 5nm, 3nm)和主流存储器(DRAM, 3D NAND)都在300mm晶圆上生产。
下一代尺寸的探索与停滞(2010s - 现今):18英寸(450mm)
目标: 延续降低成本(主要是设备折旧和晶圆成本)的逻辑。
时间线:2010年代初,行业(SEMATECH, G450C联盟)曾积极推动研发。
2010年代中期,遭遇重大阻力:
天文数字的投资: 开发全新的设备、材料、厂房,预估成本高达数百亿甚至千亿美元级别。分摊到每个芯片上的成本降低预期在当时的市场环境下显得风险过高。
技术复杂度剧增: 硅材料、加工精度、均匀性控制、缺陷检测、搬运系统的挑战比200mm->300mm更大。
缺乏足够驱动力: 现有300mm产线通过效率提升(如更快的设备、更好的良率控制、更大的反应腔室)仍能有效降低成本。摩尔定律放缓,单位面积晶体管成本下降速度减慢,削弱了升级的紧迫性。
行业共识破裂: 设备厂商和芯片制造商在巨额投资分摊上难以达成一致。许多厂商认为投资回报率(ROI)不明确。
现状: 18英寸晶圆的商业化进程在2016年左右基本停滞。