迷你晶圆厂将颠覆全球半导体业界的制造系统

    台积电最新的超大晶圆厂(GIGAFAB)，每个月可生产超过10 万片12 寸晶圆，每座造价高达3 千亿新台币(约合610亿人民币)。但今年4 月1 日，日本推出的“迷你晶圆厂”(Minimal Fab)，瞄准物联网时代小量、多样的感测器需求，起价却只要 5 亿日元(0.3 亿元人民币)。有媒体称之为：“颠覆全球半导体业界的制造系统”。

 

    这个由经济产业省主导，由140 间日本企业、团体联合开发的新世代制造系统，目标是透过成本与技术门槛的大幅降低，让汽车与家电厂商能自己生产所需的半导体及感应器。形同推翻台积电董事长张忠谋 30 年前所创的晶圆代工模式，重回早年飞利浦、Sony 等大厂都自己生产半导体的垂直整合时代。

 

    贩卖这种生产系统的，是日本横河电机集团旗下的横河解决方案。每台外型流线、美观的制造机台，大小约与饮料自动贩卖机差不多，但各自具备洗净、加热、曝光等功能。每一台机器，都相当于一条半导体制造的生产线。一条“迷你晶圆厂”产线，所需的最小面积是大约是两个网球场的大小。也仅是一座12 寸晶圆厂的百分之一面积。

 

    “迷你晶圆厂”能够做到如此廉价、体积小，首先是挑战业界常识的创新做法──不需要无尘室。

 

    半导体芯片上如果沾有超过0.1 微米的灰尘就算是不良品，为此，制造室内一定要保持超高洁净度。维持无尘室需要大量的电力，因此不只投资金额很高、维持费用也相当惊人。所以半导体不大量生产的话，很难获利。

 

    产业技术总合研究所的原史朗挑战了这项业界的常识。“半导体工厂真的需要无尘室吗?明明需要隔绝灰尘的只有晶圆而已。”抱持着这项疑问，原史朗从 1990 年代开始构想“迷你晶圆厂”。

 

    几年后，原史朗终于开发出局部无尘化的关键技术，并将此成果制出特殊运输系统“Minimal Shuttle”。利用电磁铁控制开关，几乎不会有灰尘进入。

 

    “迷你晶圆厂”的另一个特点，是不需要用到光罩，这又可大幅降低成本。Minimal Fab 的概念，就是那样的时代十分需要的多种少量生产系统。要处理的晶圆大约直径0.5 英寸，比1 日元硬币还要小。因为晶圆很小，所以生产设备也要跟着变小。

 

    芯片从晶圆上切割下来，大约1 平方公分大小。“迷你晶圆厂”的年产量大约是50 万个，一般的12 寸晶圆厂则是两亿个。如果只生产1 万个，市面上每一芯片要收1 万日元，但“迷你晶圆厂”只要收1，200 日元。

 

    这项“迷你晶圆厂”的研发计划，源自2010 年。从2012 年开始的3 年内，获得经济产业省的预算，计划也随之通过。现在包含许多制造大厂在内，共140 间企业团体参与。虽然是由横河解决方案在销售，可是参与开发制造的日本中小企业大约有30 间，这也是该设备的一大特色之一。

 

    目前“迷你晶圆厂”的半导体前段制程所需的设备，已经大致研发完毕，开始正式销售。预计2018 年以前，切割芯片功能与封装等的后段制程设备也会开发完成。