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“迷你晶圓廠” 或顛覆全球半導(dǎo)體制造業(yè)

2016-06-06

臺(tái)積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB),每個(gè)月可生產(chǎn)超過 10 萬(wàn)片 12 寸晶圓,每座造價(jià)高達(dá) 3 千億新臺(tái)幣(約合610億人民幣)。但今年 4 月 1 日,日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab),瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代小量、多樣的感測(cè)器需求,起價(jià)卻只要 5 億日元(0.3 億元人民幣)。有媒體稱之為:“顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)”。

   這個(gè)由經(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。

  販賣這種生產(chǎn)系統(tǒng)的,是 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 寸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)。“半導(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 英寸,比 1 日元硬幣還要小。因?yàn)榫A很小,所以生產(chǎn)設(shè)備也要跟著變小。

  芯片從晶圓上切割下來(lái),大約 1 平方公分大小。“迷你晶圓廠”的年產(chǎn)量大約是 50 萬(wàn)個(gè),一般的 12 寸晶圓廠則是兩億個(gè)。如果只生產(chǎn) 1 萬(wàn)個(gè),市面上每一芯片要收 1 萬(wàn)日元,但“迷你晶圓廠”只要收 1,200 日元。

   這項(xiàng)“迷你晶圓廠”的研發(fā)計(jì)劃,源自 2010 年。從 2012 年開始的 3 年內(nèi),獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的預(yù)算,計(jì)劃也隨之通過。現(xiàn)在包含許多制造大廠在內(nèi),共 140 間企業(yè)團(tuán)體參與。雖然是由橫河解決方案在銷售,可是參與開發(fā)制造的日本中小企業(yè)大約有 30 間,這也是該設(shè)備的一大特色之一。

  目前“迷你晶圓廠”的半導(dǎo)體前段制程所需的設(shè)備,已經(jīng)大致研發(fā)完畢,開始正式銷售。預(yù)計(jì) 2018 年以前,切割芯片功能與封裝等的后段制程設(shè)備也會(huì)開發(fā)完成。

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