來(lái)源：半導(dǎo)體芯聞

據(jù)日媒報(bào)道，在“CEATEC 2024”上，最小晶圓廠推廣組織展示了用于最小晶圓廠的使用超小型半導(dǎo)體制造設(shè)備的光刻工藝。小型晶圓廠的制造設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是能夠在潔凈室以外的環(huán)境中使用家用電源。

使用超小型半導(dǎo)體制造設(shè)備的光刻工藝演示

眾所周知，半導(dǎo)體制造通常需要巨大的工廠和潔凈室來(lái)大規(guī)模生產(chǎn) 12 英寸晶圓。每座大型晶圓廠的資本投資達(dá)到2萬(wàn)億日元。

另一方面，最小晶圓廠在小型設(shè)備中使用 0.5 英寸晶圓制造半導(dǎo)體。資本投資僅約5億日元（約合238萬(wàn)人民幣），因此中小企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)可以以較低的投資額開始制造半導(dǎo)體設(shè)備。設(shè)備可以單件制造，從而可以輕松小批量生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

最小晶圓廠的制造設(shè)備對(duì)于所有工藝都具有相同的形狀和尺寸。晶圓輸送容器（shuttle）對(duì)于各工序也是通用的。由于設(shè)備內(nèi)部和航天飛機(jī)都是潔凈環(huán)境，因此無(wú)需維護(hù)大型潔凈室。梭子直徑約4厘米，適合手掌大小。

小型晶圓廠中使用的常見shuttle， 0.5英寸晶圓存儲(chǔ)

使用家用電源演示光刻過程

在展位上，光刻工藝的演示是通過排列三臺(tái)機(jī)器來(lái)進(jìn)行光刻工藝的演示，每個(gè)工藝包括抗蝕劑涂覆、曝光和顯影。

將shuttle握在手中，放入設(shè)備中，按下開關(guān)即可啟動(dòng)設(shè)備。完成后，拿起穿梭機(jī)并將其設(shè)置在下一個(gè)設(shè)備上。每個(gè)設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)和進(jìn)度都顯示在每個(gè)設(shè)備的監(jiān)視器上。

shuttle設(shè)置在設(shè)備中。按右側(cè)綠色開關(guān)啟動(dòng)設(shè)備

左邊是光刻膠涂層，右邊光刻

當(dāng)這三個(gè)過程完成后，在顯微鏡下檢查晶圓時(shí)，已經(jīng)形成了帶有“萬(wàn)圣節(jié)快樂”字樣和南瓜插圖的圖案。

左：開發(fā)過程，右：完成的圖案

小型晶圓廠的制造設(shè)備還具有功耗低的特點(diǎn)，可以使用家用AC100V電源。本次演示所用設(shè)備的功耗為抗蝕劑涂覆/顯影過程150W，曝光過程300W。每次使用完畢后，您可以關(guān)閉電源。

在這種情況下，晶圓在每個(gè)工藝之間通過手持式穿梭機(jī)傳送，但如果設(shè)備數(shù)量較多，也可以使用設(shè)備之間的自動(dòng)傳送系統(tǒng)。

Minimal Fab推進(jìn)組織表示，“在Minimal Fab，任何人都可以通過創(chuàng)意競(jìng)賽進(jìn)入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域?！?/p>

顛覆傳統(tǒng)制造的新方法

半導(dǎo)體制造需要巨大的資本投入。雖然臺(tái)積電（TSMC）等半導(dǎo)體代工（代工）企業(yè)正在成為制造領(lǐng)域的主要參與者，但由于需求增加，交貨時(shí)間變得越來(lái)越長(zhǎng)，供應(yīng)商被迫減少或減少生產(chǎn)。已發(fā)展到調(diào)整生產(chǎn)。

Minimal Fab是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）從2008年開始研究的一種制造系統(tǒng)，旨在改變這種狀況。該組織旨在通過實(shí)現(xiàn)多品種、小批量制造來(lái)創(chuàng)造半導(dǎo)體制造的新趨勢(shì)。

據(jù)了解，該組織由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由 140 間日本企業(yè)、團(tuán)體聯(lián)合開發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過成本與技術(shù)門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺(tái)積電董事長(zhǎng)張忠謀 30 年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時(shí)代。

最小晶圓廠是一種只能生產(chǎn)一種半導(dǎo)體的系統(tǒng)。與基于大規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造不同，該公司專注于制造多品種、小批量的生產(chǎn)。

電路不是使用傳統(tǒng)的大直徑晶圓，而是在直徑為 12.5 毫米的“半英寸晶圓”上形成。制造設(shè)備的尺寸為寬30cm×高144cm×深45cm，該設(shè)備用于曝光等各制造工序。它還可以與大型晶圓廠中使用的制造設(shè)備結(jié)合使用。由于各工序使用的制造設(shè)備尺寸統(tǒng)一，因此設(shè)備可以相互連接并在工序之間自動(dòng)輸送。

它還配備了密封半英寸晶圓的最小shuttle，旨在實(shí)現(xiàn)不需要潔凈室的制造過程。盡管很難將其運(yùn)用在生產(chǎn)超精細(xì)電路的尖端半導(dǎo)體中，但它可以在制造傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）方面展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

最少的設(shè)備，極低的價(jià)格

這樣的方案的好處之一是減少資本投資。

通常，大型晶圓廠的半導(dǎo)體制造需要超過數(shù)千億日元的資本投資。另一方面，最小晶圓廠的目標(biāo)投資金額約為該金額的1/100至1/1000。由于每個(gè)器件都很小，因此不需要大型工廠場(chǎng)地，也不需要用于形成電路的光掩模，因此很可能系統(tǒng)可以多花一個(gè)數(shù)量級(jí)的錢來(lái)運(yùn)行。

而且，這種方案可以顯著縮短制造周期。大規(guī)模半導(dǎo)體制造從下訂單到交貨需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間。最小的晶圓廠可以在所需的時(shí)間實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的半導(dǎo)體的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)。

這一優(yōu)勢(shì)可以在用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的小體積、高混合半導(dǎo)體中得到最好的利用。由AIST的研究人員成立的商業(yè)公司Hundred Semiconductors的首席執(zhí)行官 Imura 表示：“Minimal Fab 可以處理因訂單小而無(wú)法外包給代工廠的半導(dǎo)體?！?/p>

自2008年啟動(dòng)該項(xiàng)目以來(lái)，AIST一直在開發(fā)制造設(shè)備和半英寸晶圓。與此同時(shí)，2017年成立了Minimal Fab Promotion Organization，以支持該技術(shù)的傳播，但進(jìn)展緩慢。原因是我們無(wú)法訓(xùn)練能夠使用最小工廠創(chuàng)建設(shè)備的玩家。代表董事井村坦言，“我們能夠在早期階段實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備和半英寸晶圓的商業(yè)化。另一方面，我們無(wú)法培養(yǎng)能夠掌握最小晶圓廠的人力資源和公司?！?/p>

為了普及這項(xiàng)技術(shù)，日本正在著眼于實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體原型制造工藝與代工廠大規(guī)模制造工藝之間的差距。從原型到量產(chǎn)的過渡需要復(fù)雜的管理決策，例如需求預(yù)測(cè)和投資規(guī)模，但可以使用最小晶圓廠來(lái)順利地從原型到量產(chǎn)過渡。這意味著它可以商業(yè)化以填補(bǔ)空白。

目前，該公司正在推動(dòng)支持從半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)到大規(guī)模生產(chǎn)等各個(gè)方面的活動(dòng)。通過分享知識(shí)，我們的目標(biāo)是將其作為一種制造技術(shù)進(jìn)行推廣，加快原型的改進(jìn)，并利用最小的工廠實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

已經(jīng)有初步嘗試

從幾年前開始，日本橫河電機(jī)集團(tuán)旗下的橫河解決方案。每臺(tái)外型流線、美觀的制造機(jī)臺(tái)，大小約與飲料自動(dòng)販賣機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺(tái)機(jī)器，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條「迷你晶圓廠」產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的大小。也僅是一座 12 吋晶圓廠的百分之一面積。

「迷你晶圓廠」能夠做到如此廉價(jià)、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識(shí)的創(chuàng)新做法──不需要無(wú)塵室。

半導(dǎo)體芯片上如果沾有超過 0.1 微米的灰塵就算是不良品，為此，制造室內(nèi)一定要保持超高潔凈度。維持無(wú)塵室需要大量的電力，因此不只投資金額很高、維持費(fèi)用也相當(dāng)驚人。所以半導(dǎo)體不大量生產(chǎn)的話，很難獲利。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所的原史朗挑戰(zhàn)了這項(xiàng)業(yè)界的常識(shí)?！赴雽?dǎo)體工廠真的需要無(wú)塵室嗎？明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已。」抱持著這項(xiàng)疑問，原史朗從 1990 年代開始構(gòu)想「迷你晶圓廠」。

幾年后，原史朗終于開發(fā)出局部無(wú)塵化的關(guān)鍵技術(shù)，并將此成果制出特殊運(yùn)輸系統(tǒng)「Minimal Shuttle」。利用電磁鐵控制開關(guān)，幾乎不會(huì)有灰塵進(jìn)入。

「迷你晶圓廠」的另一個(gè)特點(diǎn)，是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。Minimal Fab 的概念，就是那樣的時(shí)代十分需要的多種少量生產(chǎn)系統(tǒng)。要處理的晶圓大約直徑 0.5 英吋，比 1 日?qǐng)A硬幣還要小。因?yàn)榫A很小，所以生產(chǎn)裝置也要跟著變小。

芯片從晶圓上切割下來(lái)，大約 1 平方公分大小?！该阅憔A廠」的年產(chǎn)量大約是 50 萬(wàn)個(gè)，一般的 12 吋晶圓廠則是兩億個(gè)。如果只生產(chǎn) 1 萬(wàn)個(gè)，市面上每一芯片要收 1 萬(wàn)日?qǐng)A，但「迷你晶圓廠」只要收 1,200 日?qǐng)A。

【近期會(huì)議】

10月30-31日，由寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)家工程研究中心主辦的“化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用大會(huì)”將首次與大家在江蘇·常州相見，邀您齊聚常州新城希爾頓酒店，解耦產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)布局！https://w.lwc.cn/s/uueAru

11月28-29日，“第二屆半導(dǎo)體先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)”將再次與各位相見于廈門，秉承“延續(xù)去年，創(chuàng)新今年”的思想，仍將由云天半導(dǎo)體與廈門大學(xué)聯(lián)合主辦，雅時(shí)國(guó)際商訊承辦，邀您齊聚廈門·海滄融信華邑酒店共探行業(yè)發(fā)展！誠(chéng)邀您報(bào)名參會(huì)：https://w.lwc.cn/s/n6FFne

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審核編輯 黃宇