2016年4 月1 日,日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab),瞄準物聯網時代小量、多樣的感測器需求,起價卻只要 5 億日元(0.3 億元人民幣)。而與此同時,臺積電最新的超大晶圓廠(GigaFab),每個月可生產超過10 萬片12 寸晶圓,每座造價高達3 千億新臺幣(約合610億人民幣)。
有媒體稱之為:“顛覆全球半導體業界的制造系統”。
據有關資料顯示,這個由經濟產業省主導,由140 間日本企業、團體聯合開發的新世代制造系統,目標是透過成本與技術門檻的大幅降低,讓汽車與家電廠商能自己生產所需的半導體及感應器。形同推翻臺積電董事長張忠謀 30 年前所創的晶圓代工模式,重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產半導體的垂直整合時代。
在迷你晶圓廠的生產線里,每臺外型流線、美觀的制造機臺,大小約與飲料自動販賣機差不多,但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺機器,都相當于一條半導體制造的生產線。一條“迷你晶圓廠”產線,所需的最小面積是大約是兩個網球場的大小。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、體積小,首先是挑戰業界常識的創新做法──不需要無塵室。
半導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、維持費用也相當驚人。所以半導體不大量生產的話,很難獲利。
產業技術總合研究所的原史朗挑戰了這項業界的常識。
“半導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。”抱持著這項疑問,原史朗從 1990 年代開始構想“迷你晶圓廠”。
幾年后,原史朗終于開發出局部無塵化的關鍵技術,并將此成果制出特殊運輸系統“Minimal Shuttle”,利用電磁鐵控制開關,幾乎不會有灰塵進入。
“迷你晶圓廠”的另一個特點,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系統。要處理的晶圓大約直徑0.5 英寸,比1 日元硬幣還要小。因為晶圓很小,所以生產設備也要跟著變小。
芯片從晶圓上切割下來,大約1 平方公分大小。“迷你晶圓廠”的年產量大約是50 萬個,一般的12 寸晶圓廠則是兩億個。如果只生產1 萬個,市面上每一芯片要收1 萬日元,但“迷你晶圓廠”只要收1,200 日元。
這項“迷你晶圓廠”的研發計劃,源自2010 年。從2012 年開始的3 年內,獲得經濟產業省的預算,計劃也隨之通過。現在包含許多制造大廠在內,共140 間企業團體參與,其中日本中小企業大約有30 間,這也是該設備的一大特色之一。
目前“迷你晶圓廠”的半導體前段制程所需的設備,已經大致研發完畢,開始正式銷售。預計2018 年以前,切割芯片功能與封裝等的后段制程設備也會開發完成。