自2020年以來，晶圓廠的“賬單”發生了重大變化。
一方面，未來領先的先進邏輯工廠將比三年前的先進節點至少多出兩到三代。自那時以來，技術進步並不是所有變化的全部。另一方面，新的供應鏈和地緣政治挑戰以及政府政策和激勵措施的轉變也帶來新的不確定性。所有這些都清楚地表明，晶圓廠的經濟效益值得重新評估。
在本文中，我們將重點討論先進邏輯工廠，因為我們相信，隨著為各種下一代器件和裝置供電的需求變得更加迫切，它們將在未來幾年繼續獲得最大的投資。我們的分析使我們得出兩個基本結論。
首先，這些晶圓廠的建設和運營成本大幅上升。其次，雖然世界多個地區的政府激勵政策仍在不斷演變，但新的、更積極的財政支援計劃對於使這些大規模資本密集型專案的經濟可行性至關重要。
在這篇分析中，我們的目的並不是提供這些晶圓廠的成本的明確數字，也不是提供激勵措施。但我們確信，公司的工藝技術、位置選擇、設計和規格選擇等特有的幾個因素可能會顯著影響總成本。因此，本文旨在提供一個應考慮的因素框架，以理解和量化這些大型專案的經濟效益。
01.晶圓廠的成本
為了分析當前的晶圓廠經濟性，我們探索了一個先進邏輯的前端製造設施——一個新建的下一代晶圓廠，可以在 300 毫米晶圓尺寸上製造 2 奈米到2 奈米以下節點的晶片。其初始生產計劃於 2026 年進行。
到那時，我們預計大多數公司將經歷兩項重大的工藝技術進步：首先，晶片上單個功能和電晶體的製造方式發生轉變；從鰭式場效應電晶體 (FinFET) 到環柵 (GAA) 器件結構，改進工作已經在進行中，以提高效率和速度。其次，引入高數值孔徑（high-NA）極紫外光刻（EUVL），這對於繼續減小工藝節點特徵尺寸至關重要。
從成本角度來看，未來新建晶圓廠的破土動工無論是前期支出還是持續支出都將比幾年前更加昂貴。（參見圖1）
從前期成本來看，由於生產下一代節點需要更先進的工具，裝置支出將會激增。（參見圖表 2）建設支出也會增加，因為需要更多的空間和更大的建築物來容納額外的裝置並維持更多和更復雜的晶圓層的必要生產量。
在裝置類別中，新型 EUVL 機器對於實現2 奈米以下節點至關重要，並計劃在 2025 年左右進行規模生產，預計其成本約為當今1.5 億美元以上機器的兩倍。節點的進步將影響晶圓廠中的其餘工藝工具，例如用於蝕刻、沉積和平坦化的工具，這些工具都需要改進以滿足較小特徵尺寸的效能需求。
從歷史上看，我們看到掩模層總數增加了 5% 到 15%，因此從一個主要節點推進到下一個節點所涉及的工藝步驟數量也隨之增加。我們預計這種成本增長趨勢將在未來幾年持續下去，並導致需要更多的工具、更大的潔淨室來容納額外的工具、額外和更嚴格的建築和施工標準以支援更大的晶圓廠規模以及更多的子晶圓廠和建造標準。
隨著監管機構和晶片製造商致力於提高可持續性，預計會出現額外的成本驅動因素。為了滿足更高的可持續發展基準，新工廠將需要更多地使用可再生能源、水回收和工藝氣體減排系統。
此外，近年來通貨膨脹全面上升，特別是在建築業。例如，自 2021 年以來，美國建築價格的複合年增長率 (CAGR) 上漲了 6%，材料成本的複合年增長率 (CAGR) 飆升了 25%。（參見圖表 3。）建設新的和改進的晶圓廠需要許多高度專業化的能力，例如滿足微汙染規範的複雜氣體輸送系統。世界上任何地方都很少有公司有能力以適當的質量規格水平提供這些服務。
我們估計，與更廣泛的通脹水平相比，晶圓廠建設成本的通脹將繼續保持較高水平，這主要是因為近年來許多地區（例如美國和歐洲部分地區）沒有持續建設新晶圓廠，也沒有足夠的人才和專業知識來支援這種高度專業化的建築專案。
一旦晶圓廠投入運營，某些領域的成本增加將會明顯感受到。例如，晶圓生產中的附加層和工藝步驟將需要更多的材料。這些材料必須比當今的材料具有更高的質量和更先進，以支援技術上更復雜的製造。一個例子是能夠實現高數值孔徑 EUVL 所需的超薄膜的光刻膠材料。
也許令人驚訝的是，運營勞動力成本預計將相對穩定。領先的晶圓廠已實現高度自動化，因為與人工干預相比，這種方法不太可能在生產過程中引入汙染物或缺陷。因此，員工規模和職責（主要是工程、技術和運營職能）不需要大幅改變。
然而，維護成本預計將繼續上升，因為先進晶圓廠中更復雜、更昂貴的裝置將需要越來越熟練的維護和昂貴的維修零部件。
公用事業支出也將受到重大影響。我們預計水、電和天然氣的增長將超出通貨膨脹，這與更多的流程步驟和層次相一致：更多的步驟，更多的消耗。儘管我們看到裝置製造商在開發資源效率更高的晶片製造工具方面不斷取得進展，但他們的首要任務仍然是晶圓廠的生產效能，即吞吐量、關鍵尺寸、良率和可靠性。
根據晶圓廠的建設地點，當地因素也可能影響最終成本。其中包括附近的供應商叢集和來自裝置提供商的技術人員，所有這些都可能改變物流和晶圓廠維護成本。此外，特定地區可能提供的員工便利設施，例如娛樂設施、自助餐廳和食品補貼，可能會影響運營預算。此外，當地勞動法規（例如限制輪班時間）可能會增加員工的管理費用。世界各地和某些地方的電價也存在很大差異，這可以對晶圓廠的經濟產生重大影響。
稅收也是當地的一個考慮因素。例如，美國已經有一定程度半導體產業存在的州（如紐約州、得克薩斯州、亞利桑那州、俄亥俄州和加利福尼亞州）的州稅和地方稅在4%到7%之間，十年 TCO佔比在1%到3%之間。世界其他地區的地方稅收結構可能有很大不同，這可能會影響專案的總體成本估算。
02.晶圓廠都是獨一無二的
上述談到的這些成本類別是衡量晶圓廠經濟效益的起點，但它們是可以替代的。沒有兩個晶圓廠是相同的。事實上，半導體公司可以採取多種方法，並在預建、施工和運營階段做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。（參見圖表 4）其中一些方法和決策包括以下內容：
半導體公司可以採取多種方法，並做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。
一、在施工前階段：
鄰接或聚類效應（Adjacency or Clustering Effect），與其他晶片製造設施相鄰或聚集的工廠可以提供規模效率；綠地與棕地（Greenfield Versus Brownfield），棕地專案可以帶來顯著的優勢，只需改造或擴建現有設施即可節省一到兩年的開發時間。
二、施工階段：
靈活或固定佈局，針對未來配置和用途變化進行設計（例如，裝備 10% 至 25% 的工廠來支援具有高機械和能量負載的裝置（例如 EUVL 裝置））可能需要更嚴格的規範，例如結構鋼加固桁架。然而，僵化方法顯然有一個缺點，即無法預測可能影響市場地位的未來變化；
容量緩衝器，必須決定是稍微縮小晶圓廠建築規模，期望效率會隨著時間的推移而提高，從而在更小的空間內實現全部產能，還是超出近期預計產能，留出增長空間；
潔淨室設計和分段，潔淨室的開放式“宴會廳”設計比越來越受歡迎的模組化、迷你環境室需要更多的支撐桁架和工程。然而，建造大量更高標準的模組化潔淨室來防止汙染，可能會將成本提高到不可接受的水平。
地區特定要求，當地條件會影響設計、規劃、工程和執行。例如，根據當地地質情況，某些區域可能需要額外的隔震和工程控制，以抑制可能擾亂晶圓加工的震動。
三、在運營階段：
工藝技術、配方和工藝工具鏈組合，工藝步驟的數量，特別是那些需要更高成本、更資源密集型裝置的工藝步驟，例如 EUVL 和原子層沉積 (ALD)，取決於晶圓廠將使用的技術型別和建築物的生產複雜性。工藝和工具要求將顯著影響設計規範和晶圓廠成本；
維護成本和合同，與晶圓廠裝置相關的維護成本涵蓋了涵蓋運營各個方面的複雜情況。這些是高度專業化的工具，需要專業知識才能擁有、維持和執行最佳工作狀態。大多數公司必須在現場配備經驗豐富的技術人員（來自裝置供應商或第三方）來處理計劃內和計劃外的維護需求。這些合同的性質可能會導致最終擁有成本發生巨大變化。
一般來說，公司的戰略重點和經驗將極大地影響半導體工廠的預算。一些公司的商業模式以高晶圓廠利用率和大批次產能為目標；有些人可能會專注於按時交貨，還有一些人可能會尋求更高利潤率的產品，甚至不惜犧牲產能利用率。這些選項中的每一個都具有明顯不同的尺寸、裝置、工具和技術成本。此外，對於晶圓廠設計和開發並不陌生的公司可能會受益於他們隨著時間的推移獲得的專業知識和現有資源（包括專業勞動力和供應鏈合作伙伴）。
雖然所有這些決策都至關重要，並且可能對晶圓廠成本和效能產生重大影響，但我們研究中的另一件事很突出：由擁有經驗豐富的專業勞動力和合作夥伴的成熟半導體制造公司建造的晶圓廠可能會產生最好的產品結果。從過去的晶圓廠建設中獲得的經驗，無論是透過內部能力還是強大的合作伙伴關係，都可以加快建設速度並降低成本。相比之下，由新玩家或被獨特或不熟悉的環境包圍的專案（例如，在世界另一個地區建造第一個主要設施）缺乏同樣的優勢。
有時，公司可能會發現他們還需要考慮意外成本。例如，如上所述，晶圓廠建設所需的工人和專業人員都是高度專業化的。公司可能會發現，在其晶圓廠附近區域沒有足夠數量的工人，因此必須承擔額外費用來支援這些專家從其他地區的重新安置。
考慮到主要成本驅動因素和基本假設，我們得出的結論是，2026 年建成的晶圓廠的 10 年總擁有成本將達到 350 億美元至 430 億美元，比當今的成本高出 33% 至 66%。（參見圖表 5）
正如所討論的，推動這種增長的最關鍵因素是，首先，工藝複雜性不斷升級，例如掩模層的增加和製造步驟的增加，其次是下一代晶圓廠技術（主要是高數值孔徑）的採用率加快EUVL。通貨膨脹還將推高建築及相關成本。值得注意的是，我們得出的廣泛 TCO 範圍對任何這些成本因素的變化都極其敏感；例如，如果通貨膨脹率最終達到 2.6% 而不是 4%，那麼 2026 年建造晶圓廠的成本可能會降至 370 億美元。
03.政府激勵措施是不確定因素
自2020年以來，政府對建設和運營領先晶圓廠設施的激勵政策一直非常活躍。這主要是因為世界各地的政治領導人越來越將蓬勃發展的國內半導體行業和關鍵晶片的獲取視為經濟和國家安全政策的重要組成部分。
為此，美國最近通過了《晶片和科學法案》，提供約 520 億美元的新資金，以促進國內半導體的研究和製造。這包括高達 25% 的合格資本支出 (capex) 的投資稅收抵免，以及廣泛的符合折舊資格的先進製造業稅收減免，涵蓋從建築到裝置的一切。此外，一些州還提供贈款來支援晶圓廠建設以及經濟和就業發展。通常還可以獲得一定程度的長期財產稅減免。
中國臺灣也在努力鞏固其全球領導地位。臺灣新的《晶片法案》於 2023 年 1 月透過，目前正在推出，為研發提供 25% 的投資稅收抵免，為裝置提供 5% 的投資稅收抵免。此外，臺灣的產業政策還為位於科學和工業園區的研究和製造組織提供特殊優惠，包括以相對較低的成本獲得土地、水、電力和基礎設施，以及加快審批和消除進口和出口關稅的可能性。
韓國為晶片製造商提供稅收抵免，以覆蓋高達 25% 的設施成本和 30% 至 40% 的研發支出。該計劃啟動後，三星宣佈在 20 年內向首爾郊外的半導體叢集投資 2,280 億美元。
其他舉措包括《歐洲晶片法案》，該法案將向該地區的半導體生態系統投資 220 億歐元（240 億美元）；日本為國內半導體開發提供68億美元資金，其中包括為熊本縣新建10奈米至20奈米晶圓廠（臺積電和索尼的合資企業）提供35億美元補貼；中國大陸正在考慮對晶片行業實行新的稅收減免和補貼；印度專門用於晶片行業擴張的100 億美元，在某些情況下可能高達專案成本的 50%（自該計劃於 2022 年首次推出以來，臺灣科技領導者富士康和美國儲存晶片製造商美光都表示有意投資印度的行業）。
在當今快速發展的半導體環境中，檢查新晶圓廠的 TCO 仍然是一項複雜的任務。技術正在發生巨大變化，需求正在迅速擴大，地緣政治正在擾亂晶片供應鏈，所有這些使得發展足夠的半導體制造能力成為世界幾乎每個地區的當務之急。瞭解建設晶片製造設施的基本經濟原理對所有利益相關者都至關重要。
半導體行業的成功發展需要激勵和支援與研發、創新和資本獲取之間的適當平衡。儘管每個專案都有自己獨特的要求和成本考慮因素，但許多因素在未來將繼續推高這些高度先進設施的成本。
