50年前，戈登·摩尔在为《Electronic》杂志撰写的一篇关于让更多元件填满微芯片的文章中，提出了著名的“摩尔定律”，但多年来他自己并不太宣扬此事。如今，摩尔定律已成为人类历史上的奇迹，正如英特尔公司首席执行官Brain Krzanich近日指出的：“假如1971年推出的大众甲壳虫(Volkswagen Beetle)汽车以与摩尔定律相同的速度发展，则该款汽车现在的行驶速度应高达300000mile·h^–1，且价格仅为4美分。”

在今后的20年中(在发展变化如此剧烈的当今社会，20年的愿景可能已是极限了)，如果人们仍想继续延用摩尔定律的话，较为合适的技术方案是在10nm及以下技术节点采用450mm硅片。其实，摩尔早在1965年便预言，要想降低器件的制造成本，硅片尺寸将会不断增大。历史上，随着集成电路复杂性的增加，每次硅片尺寸的变化在技术层面都更具挑战性。获得300mm硅片的经验表明，技术进步、商业模式、经济和市场动态及产业协作将对450mm晶体生长、制片技术和相关设备的开发产生重要影响。

回顾大直径半导体硅材料发展的历程，1995年，德国Siltronic AG公司首次成功研制出400mm硅锭。随后，日本关键技术中心和7家硅材料公司成立了超级硅研究所(SSi)，该研究所在3个实验室内耗时5年研发了400mm晶体生长、制片和外延技术。尽管SSi所取得的技术成果极具价值，但仍不能满足下一代集成电路的成本/性能要求。1999年，北京有色金属研究总院(GRINM)利用28英寸热场也生长出了400mm硅单晶。

2000年，美国半导体工业协会(SIA)发布了《国际半导体技术发展路线图》(ITRS)，文中列出下一代集成电路衬底材料将采用450mm而非400mm硅片。此后，关于450mm硅片的争论便此起彼伏：英特尔公司、三星电子公司和台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC)主张大力研发450mm硅片设备和材料，而超威半导体有限公司(AMD)和多数集成电路制造商则持反对态度。但近年来，业界已达成向450mm硅片产品过渡的共识。世界主要半导体制造商正协同组织推动450mm硅片技术的发展。G450C联盟、EEMI450联盟(欧洲)和Metro450联盟(以色列)频繁召开具有高度建设性的例会，这三个联盟可互用研究结果，而无需进行重复性实验。除半导体制造技术战略联盟(SEMATECH)和国际半导体设备与材料协会(SEMI)的计划外，全球产业链也在合作研发纳米集成电路工艺技术和相关设备，这对450mm硅片工艺流程和应用来说具有积极意义。向450mm硅片过渡的最佳时点取决于450mm硅片的成本/性能优于300mm硅片的经济论证。然而，2014年G450C联盟中出现暂缓研发450mm硅片的迹象；TSMC宣布2018年以前，将不对450mm硅片的技术研发抱有期待。业界普遍认为，这些大公司可能在等待新型应用技术(如物联网、谷歌千兆级光纤网络、苹果颠覆性技术等)拓展对集成电路的增量需求，以最终惠及各方。

尽管如此，G450C联盟的研究工作进展喜人，2015年4月16日，第一台450mm硅片浸润式光刻机在纽约州立大学理工学院的奥尔巴尼纳米技术研究中心成功运行。该机由尼康公司研制，预计可加速下一代微芯片的研制。同时，Mipox公司于5月发布了450mm硅片抛光机，并配备有新型抛光头及多年累积的抛光技术，不但效率可提高一倍，而且还开发了硅片顶部边缘的抛光方法。该机于2015年7月开始提供抛光服务。

450mm硅片相关的技术挑战包括单晶炉和热场设计、缩颈技术、晶片厚度和平整度、晶片几何和边缘形状、机械加工、杂质和缺陷控制等。已有不少研究涉及先进的单晶生长工艺和晶体原生凹坑缺陷的控制，以确保晶体质量、均匀性和产量。目前看来，将450mm晶体加工为晶片似乎不存在根本性障碍，可使用线锯切割450mm晶锭，但线上张力的增加可能会限制钢丝直径的减小，从而增加切口的损失并影响切片的总厚度偏差。450mm晶片的掺杂及厚度将更加均匀、缺陷密度会更低，对局部平整度(SFQR)的要求也更高。为了获得优质衬底，必须考虑污染精细化控制和缺陷及杂质之间的相互作用。

计算机模拟已成为一种能缩短实验时间、降低能耗和减少高纯度材料(如多晶硅、石英坩埚和石墨加热器)用量的强有力且经济上性价比高的工具。数值研究表明，随着集成电路特征线宽变小，硅片中“致命”缺陷的尺寸也会减小；因而，450mm硅片上的材料均匀分布对电路成品率格外重要。同时，还应创建用于解决经济问题的精细模型，该模型要能够反映材料在供应链中的真实情况。在该供应链中，450mm硅片需要重新对材料搭配和输送进行优化。

450mm晶片的批量生产重在提高晶体生长的生产效率和降低生产成本，通常建议多晶装料量为1000kg，坩埚直径为40~44英寸。为解决低成本450mm晶体生长的技术难题，GRINM于2002年研制了450mm硅单晶；并从2013年起，批量生产和销售集成电路设备零件用的晶锭。SUMCO公司近期的报告也称，进行450mm晶片测试和生产的时机已成熟。

向大直径晶片过渡始终面临着挑战。若450mm晶片原始设备制造商以10nm及以下技术节点为目标，则工艺技术会发生重大变化；即便是某些10nm技术和工装也需要进一步改进，才能满足7nm和5nm技术的要求。例如，晶体管沟道会采用具有更高迁移率的材料(如Ge或InGaAs)，而这种硅衬底上的异质外延将增加技术层面的复杂性。

制定标准是向450mm晶片过渡的关键环节。自2008年编制第一个450mm晶片标准后，SEMI已发布了19个标准，另有13个标准正在筹备之中。这些标准规定了450mm抛光片和外延片的技术要求，并提供了晶片几何测量和表面检查的指南。例如，450mm晶片厚度标准为925μm而不是以前建议的825μm；450mm晶片缺口以或轴线为中心，而无缺口晶片标准最近亦获批准。450mm晶片的技术规范比小直径晶片更加广泛，其标准化参数涉及边缘轮廓、翘曲、导电性、掺杂及表面状况等。目前，SEMI标准工作组一直在努力编制新的450mm晶片标准。

即将在旧金山举行的2015 SEMICON/WEST展会计划讨论10nm、7nm和5nm技术节点的发展蓝图，其中，半导体技术研讨会(STS)将对电阻-阻容管理、集成技术以及大规模和低成本制造等挑战进行探索。事实上，硅材料并非如某些人想像的那样已经过时了。研究表明，纳米硅和Si²⁸具有制备固态量子计算机的潜力；另一方面，450mm硅片与高迁移率沟道材料、高介电常数材料、碳纳米管(CNT)、石墨烯、有机和生物基材料的结合仍是10nm、7nm集成电路最具竞争力的候选方案，并将为5nm技术节点铺平道路。可以预期在未来几年内，光刻技术和关键设备将会有重大突破；当然，这还取决于设备公司和集成电路制造商之间的博弈。此外，集成电路自上而下与自下而上的技术路线相结合可产生协同效应，这不仅能够继续改变我们的生活，为现代社会带来众多好处，而且还将成为新工业革命的巨大推动力。