來源：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)備對于所有工藝都具有相同的形狀和尺寸。晶圓輸送容器（shuttle）對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

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機(jī)器來進(jìn)行光刻工藝的演示，每個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)即可啟動設(shè)備。完成后，拿起穿梭機(jī)并將其設(shè)置在下一個設(shè)備上。每個設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)和進(jìn)度都顯示在每個設(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)啟動設(shè)備

左邊是光刻膠涂層，右邊光刻

當(dāng)這三個過程完成后，在顯微鏡下檢查晶圓時，已經(jīng)形成了帶有“萬圣節(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)意競賽進(jìn)入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。”

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，交貨時間變得越來越長，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、小批量制造來創(chuàng)造半導(dǎo)體制造的新趨勢。

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。形同推翻臺積電董事長張忠謀 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。

最少的設(shè)備，極低的價格

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。由于每個器件都很小，因此不需要大型工廠場地，也不需要用于形成電路的光掩模，因此很可能系統(tǒng)可以多花一個數(shù)量級的錢來運(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的等待時間。最小的晶圓廠可以在所需的時間實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的半導(dǎo)體的準(zhǔn)時生產(chǎn)。

這一優(yōu)勢可以在用于物聯(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法外包給代工廠的半導(dǎo)體。”

自2008年啟動該項(xiàng)目以來，AIST一直在開發(fā)制造設(shè)備和半英寸晶圓。與此同時，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，我們無法培養(yǎng)能夠掌握最小晶圓廠的人力資源和公司。”

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)測和投資規(guī)模，但可以使用最小晶圓廠來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)等各個方面的活動。通過分享知識，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。每臺外型流線、美觀的制造機(jī)臺，大小約與飲料自動販賣機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺機(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網(wǎng)球場的大小。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、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識的創(chuàng)新做法──不需要無塵室。

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。「半導(dǎo)體工廠真的需要無塵室嗎？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)，幾乎不會有灰塵進(jìn)入。

「迷你晶圓廠」的另一個特點(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 日圓硬幣還要小。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，大約 1 平方公分大小。「迷你晶圓廠」的年產(chǎn)量大約是 50 萬個，一般的 12 吋晶圓廠則是兩億個。如果只生產(chǎn) 1 萬個，市面上每一芯片要收 1 萬日圓，但「迷你晶圓廠」只要收 1,200 日圓。

【近期會議】

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審核編輯 黃宇