日本顛覆台積電霸業的秘密武器──物聯網時代的「迷你晶圓廠」

作者 | 發布日期 2016 年 06 月 05 日 12:00 | 分類 晶片 , 零組件 follow us in feedly

台積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB),每個月可生產超過 10 萬片 12 吋晶圓,每座造價高達 3 千億元。但今年 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 億日圓(1.7 億元台幣)。《日經商業週刊》稱之為:「顛覆全球半導體業界的製造系統」。



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製造系統,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。形同推翻台積電董事長張忠謀 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。

販賣這種生產系統的,是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每台外型流線、美觀的製造機台,大小約與飲料自動販賣機差不多,但各自具備洗淨、加熱、曝光等功能。每一台機器,都相當於一條半導體製造的生產線。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 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,首先是挑戰業界常識的創新做法──不需要無塵室。

半導體晶片上如果沾有超過 0.1 微米的灰塵就算是不良品,為此,製造室內一定要保持超高潔淨度。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」。

幾年後,原史朗終於開發出局部無塵化的關鍵技術,並將此成果製出特殊運輸系統「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 英吋,比 1 日圓硬幣還要小。因為晶圓很小,所以生產裝置也要跟著變小。

晶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 吋晶圓廠則是兩億個。如果只生產 1 萬個,市面上每一晶片要收 1 萬日圓,但「迷你晶圓廠」只要收 1,200 日圓。

這項「迷你晶圓廠」的研發計畫,源自 2010 年。從 2012 年開始的 3 年內,獲得經濟產業省的預算,計畫也隨之通過。現在包含許多製造大廠在內,共 140 間企業團體參與。雖然是由橫河解決方案在販售,可是參與開發製造的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」的半導體前段製程所需的設備,已經大致研發完畢,開始正式販售。預計 2018 年以前,切割晶片功能與封裝等的後段製程設備也會開發完成。

(本文由 天下雜誌 授權轉載)

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