感受Tower在硅基微显示芯片和特种图像传感器制造工艺的巨大能量

“好汉都有晶圆厂（Real men have fabs.）。”

上世纪80年代末，面对风起云涌无晶圆芯片设计公司（Fabless）大潮，AMD创始人杰里·桑德斯(Jerry Sanders)以此语回击Fabless咄咄逼人的态势，一时间舆论大哗。

无可置疑的是，在集成电路最初发展的30年中，半导体行业采用的是IDM模式，随着创新动力与供求关系规律性地互相作用，Pure Foundry和Fabless模式应运而生。如今，一座先进晶圆厂的运营成本已经高得惊人，芯片设计与制造的分工体系正在不断深化和优化，那么“好汉都有晶圆厂”的时代真的过时了吗？

当下，纯代工厂的产能、开工率、资本投入等是整个IC产业风向最有力的指示灯。在众声喧哗的摩尔定律追逐赛道之外，依然存在别有洞天之地。总部位于以色列的Tower Semiconductor（以下简称Tower）主打高价值的模拟半导体解决方案，多年来稳居全球代工厂前十。三十年来Tower在成熟工艺的RF-SOI、SiGe、PMIC、CIS等领域已经构筑了相当深的技术护城河，赢得了超高的业内口碑。

11月10日-11日，中国集成电路设计业2023年会（ICCAD）在广州召开。Tower中国区FAE经理蔡圆在现场围绕硅基微显示芯片和特种图像传感器技术发表演讲。集微网有幸就Tower相关技术的know-how，模拟类代工厂的竞争优势，全球范围内的产线布局等议题对蔡圆经理做了专访。

Tower中国区FAE经理蔡圆ICCAD现场图

硅基微显示芯片，“存量技术”和“增量技术”双管齐下

微显示领域与个人日常工作和生活关联密切，6月份苹果公司的Apple Vision Pro发布，让资本市场对显示市场的相关概念股再度热捧。终端客户对显示设备的体积、功耗和亮度等不断有更高的要求，同时销售成本传导至代工厂商，给硅基微显示芯片工艺带来诸多难题。

另外值得注意的是，微显示芯片看起来“小”，但相较于其他类型的芯片，其尺寸较大，对制造环节的良率构成了一定挑战。

针对这一系列的难题，Tower采用了技术迭代的“存量技术”和“增量技术”双管齐下的策略。

所谓存量技术，即Tower在图像传感器（CIS）这类相对尺寸较大的芯片上已经有了相当雄厚的技术功底。蔡圆向集微网介绍：“高分辨率CIS的尺寸相对较大，针对这一尺寸面积较大的芯片，我们在晶圆级缝合技术等方面已经有了很多技术沉淀，从前些年的LCOS到现在的Micro OLED,到将来的Micro LED，对于生产微显示芯片尤其是在良率控制方面，我们已经有了一定程度的经验积累。”

在增量技术方面，Tower也有着多维的技术创新。比如为了更舒适的佩戴体验和更长的产品使用寿命，微显示芯片的像素结构正在由电压驱动型向电流驱动型转变。针对电流驱动型像素电路的设计，Tower的微显示工艺平台特别提供耐压高达10V，同时漏电流控制在fA级别的晶体管，以及高密度低漏电的MIM电容，极大地增加了客户电路设计的灵活性。有了这些特殊器件的加持，客户设计出的微显示芯片可以亮度更高，功耗更小，使用时间更长。

不断下沉，不断突破

产业竞争并不总是一个从基础研究向产业化顺序展开的进程，强大的下游产业化能力，往往也会反向影响基础技术路线的走向。主打成熟工艺的模拟类IC制造的Tower，也不断在各个细分赛道中不断突破精与尖的边界，以此来拓宽产品终端应用场景。

对于Tower的下沉和突破，可以从CIS产品本身和自身代工角色两个维度去审视。

实际上，即便是在Tower所擅长的CIS领域，企业也更多承担着“幕后巨人”的角色，默默地服务客户。蔡圆在接受采访时表示：“（我们）提供的像素单元，是可以应用于各个领域的，尤其在特种CIS领域，Tower的名声更响一点，所以给大家知道得更多一点。”

Tower在CIS领域的技术竞争力是业界有目共睹的，例如在堆叠式（Wafer Stacking）图像传感器结构上。蔡圆表示Tower很早就在8寸和12寸晶圆上实现了背照式（BSI）工艺结构。实际上BSI工艺结构可以看做是实现堆叠式，尤其是采用混合互联（Hybrid Bonding）的堆叠式结构工艺的“前提”。

堆叠式结构的出现为CIS带来了全新的可能——通过将模数转换器以及片上处理电路（如ISP）挪到像素层下方的逻辑层中，从而使CIS模拟为主的部分和数字为主的部分分别采用最优的工艺制程，在更小的芯片面积下实现更强的读出性能，这对于需要全局快门（Global Shutter）和高帧率性能的3D成像用CIS产品尤为重要。

蔡圆向集微网举例道：“前两年我们跟客户联合发布的5μm的iToF芯片，它性能是非常好的。”在这款于2021年发布的iTOF图像传感器上，Tower实现了在5μm的像素尺寸中做到了像素级铜端子直接互联，其中互联端子本身最小宽度仅有0.79μm，而端子间的最小间距更是做到了2.5μm。TechInsights曾在去年公开表示这款堆叠式图像传感器是他们“所见过的最小互联端子间距”。

另外，生产大尺寸CIS也是Tower的绝活。如前所述，相较小尺寸小像素的CIS产品，大尺寸CIS产品的良率挑战会更加严峻：“对于这种大尺寸芯片的生产来说，它的良率控制其实是非常困难的，它只要这一块区域内任意落下一个灰尘点或者是粒子，它的性能就会受到影响，就会有良率的损失。”

同时，超大尺寸的图像传感器可能会超过光掩模本身覆盖的尺寸，所以往往需要缝合设计，而对于缝合设计来说，共同设计传感器架构和晶圆级缝合方案非常重要，需要确保图像传感器设计和缝合方案满足所有机械、光学和工艺要求。目前Tower的缝合工艺能够做到一张12寸晶圆上出1到2颗Die，这在业界是一种非常稀缺的特种工艺。

更值得一提的是，Tower作为代工厂还向客户提供像素单元IP，即通常所说的Pixel。蔡圆告诉集微网：“不少芯片设计公司真的很想做图像传感器类的产品，他们电路设计能力很强，但是缺乏像素单元设计和制造工艺紧密结合的开发能力，这些客户可以直接使用Tower提供的像素单元去开发他们的图像传感器产品。”

除此之外，未来硅基微显示技术的挑战性有哪些，这些挑战又和代工厂的功能演进有何关联？蔡圆举了一个非常有代表性的例子。虽然现在的Micro OLED工艺是基于CMOS工艺研发，但随着客户对产品亮度和分辨率的要求越来越高，对工艺所提供的高压晶体管漏电的要求也越来越高，并且需要用更高密度的电容。另外，产品进入量产以后的晶圆良率会直接影响到该类产品的成本，甚至对未来元宇宙潜在的市场体量至关重要。

新雨之后草木丛生。代工厂的角色和产品一样，也在不断演化，Tower通过产品的迭代革新，也在革新自身的生态定位。

弹性与灵活，于无声处听惊雷

如果把全球各大主要的芯片制造商比作一座大型集市，少数头部几家在最前沿工艺节点卷杀激烈的IDM和代工厂可谓占据了车水马龙的闹市区，是聚光灯下的常客。

但僻静之地亦可发黄钟大吕之声。

几十年来，Tower一直坚守模拟集成电路的制造和研发，为客户不断提供高价值服务。在SOI、SiGe、PMIC以及CIS领域的不断深耕，眼下更是在硅基微显示市场蓄势待发，实现了模拟与价值的双向奔赴——Where analog and value meet，企业的slogan精准表达了对隐形冠军的追求和定位。

另外，Tower纯代工厂的身份，保证了企业在芯片定制和产品交付的灵活性。以图像传感器生产为例，大多数国际厂商采用了IDM经营模式，在这一领域有着很高的市场占有率，也建立其自身技术护城河和产品议价权，在设计和工艺制造方面结合紧密。但IDM模式毕竟船大难以掉头，作为纯代工厂的Tower，可以针对芯片设计公司厂商的需求去定制工艺，而且覆盖面更广。中国大陆的半导体产业生态一大突出特色就是孵化出了一批极具有市场竞争力的芯片设计公司企业，这也给了Tower以广阔的市场施展空间。对此，蔡圆向集微网阐述：“我们可以给客户提供本地化的技术支持，跟客户需求更紧密地绑定，我们有一支优秀的工程师团队，有着二十年以上的工作经验，对图像传感器和硅基微显示的产品和工艺需求非常了解。但同时我们不跟作为客户的芯片设计公司竞争，而是连起手来以更加灵活的姿态去和IDM大厂比拼。”

公开资料显示，目前Tower的晶圆厂产线主要集中在以色列、美国和日本这三个国家。Tower在2021年6月宣布和意法半导体的意大利Agrate R3 12英寸晶圆厂达成合作协议。随后，Tower和英特尔在美国新墨西哥州11X晶圆厂合作开发差异化的PMIC制造方案。这些灵活、有弹性的合作模式，让Tower可以敏锐捕捉市场前沿动态进行扩产，并且保证晶圆厂开工率的最优解。

结语 来自创新高地的人才加持

在神学意义上，流着奶与蜜的应许之地是以色列人的家园。70多年以来，受国际地缘政治等因素影响，以色列保持了高度的危机感，很早就确立了科技立国为本的发展原则。成熟的人才培养体系，搭配可靠、有前瞻性的研发规划，辅以灵活的商业头脑和雄厚的资本投入，让以色列这片并不广袤的土地上孵化出了大批的半导体公司。Tower即是这片科创沃土上盛开的最鲜艳的花朵之一。

对此，蔡圆深有感触，她谈道：“我们以色列的同事创新思维非常强，受到客观环境的影响，他们只有不断创新、不断改变才能生存下去。他们思维很灵活，愿意听取客户对产品市场的需求和变化，配合客户的要求去做调整，同时帮客户审查创新方案落地的可行性。他们经验丰富，高度专注，以图像传感器部门为例，我们的工程师团队最年轻的也有20年的工作经验。”

总之，灵活且富有弹性的经营模式，雄厚的细分赛道技术积累和迭代规划，充满创新和高度纪律性的工程师文化，保证了Tower在充满各种暗礁和险滩的全球芯片制造行业中屹立潮头，让“好汉都有晶圆厂”的著名论点被重新定义和赋予了新的时代意义。