"ميني ويفر فاب" يساعد اليابان على استعادة ذروتها؟

على الرغم من أن اليابان تقوم حاليًا ببناء مصنع لأشباه الموصلات بتقنية 2 نانومتر وتتعاون مع TSMC لبناء مصنع في اليابان، إلا أن الكثيرين لا يعتبرون ذلك استراتيجية فعالة. بالنسبة لصناعة أشباه الموصلات اليابانية، يمكن تحقيق تطوير المنتجات النهائية (أشباه الموصلات) من خلال الاستفادة الكاملة من المعدات وقوة المواد. القوة التي يمكنها القيام بهذه المهمة الضخمة تأتي من "مصانع الويفر الصغيرة".

من المعتقد بشكل عام أن إنتاج أشباه الموصلات يتطلب استثمارات ضخمة. فمن ناحية، تتطور شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC) وغيرها من شركات مسبك أشباه الموصلات بسرعة في الصناعة؛ ومن ناحية أخرى، أدى الطلب المتزايد باستمرار إلى فترات تسليم أطول وأطول لأشباه الموصلات. لحل مشكلة أوقات التسليم الطويلة وسرعة الاستجابة البطيئة في صناعة أشباه الموصلات، قام المعهد الوطني للعلوم الصناعية المتقدمة والتكنولوجيا (AIST) بتطوير "مصانع الويفر الصغيرة" منذ عام 2008. وتتميز "مصانع الويفر الصغيرة" بالقدرة لإنتاج كميات صغيرة وأنواع متعددة من أشباه الموصلات، مما يجلب اتجاهات جديدة لصناعة إنتاج أشباه الموصلات.

تقليديًا، تم استخدام مصانع الويفر الصغيرة فقط في النماذج الأولية، ولكن من أجل تطبيقها بسرعة على الإنتاج الضخم، أنشأ باحثو AIST "شركة Hundred Semiconductors Company" في ديسمبر 2022 (المقرها في مدينة كاشيوا، محافظة تشيبا، اليابان). يحتوي اسم الشركة على معنى "تزويد العملاء بأنواع متعددة من أشباه الموصلات". وقال مديرها التمثيلي، السيد فوميهيتو كورامورا: "نحن نخطط لخلق عالم يستطيع فيه أي شخص تصميم وإنتاج أشباه الموصلات".

إحدى مزايا مصانع الويفر الصغيرة هي القدرة على إنتاج أي عدد من أشباه الموصلات، حتى لو كان واحدًا فقط. وعلى عكس الإنتاج الضخم، فإن ميزته تكمن في إنتاج كميات صغيرة وأصناف متعددة.

لا تستخدم مصانع الويفر الصغيرة الرقائق التقليدية ذات الحجم الكبير، ولكنها بدلاً من ذلك تصنع دوائر على "رقائق نصف بوصة" بقطر 12.5 سم. حجم معدات الإنتاج هو 30 سم (عرض) * 144 سم (ارتفاع) * 45 سم (عمق)، ويمكنها إجراء العديد من العمليات مثل التعريض. ويمكن استخدامه أيضًا مع معدات "Mega Fab (mega wafer fab)". وبما أن حجم المعدات المستخدمة في كل عملية متشابه، فيمكن استخدام الروبوتات لنقل الرقائق بين المعدات.

بالإضافة إلى ذلك، تتميز مصانع الويفر الصغيرة أيضًا بـ "Mini Shuttle" التي يمكنها إغلاق "رقائق الويفر بنصف بوصة"، مما يلغي الحاجة إلى غرف نظيفة. وفي حين أنه من الصعب تطبيقه على إنتاج أشباه الموصلات المتقدمة للغاية، إلا أن هناك الكثير من القدرة على إنتاج منتجات مثل أجهزة الاستشعار والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS).

إحدى مزايا مصانع الويفر الصغيرة هي أنها يمكن أن تقلل من الاستثمار في المعدات. بشكل عام، تتطلب مصانع الرقاقات الضخمة استثمارات بعشرات المليارات من الين (أو حتى أعلى) في المعدات. من ناحية أخرى، فإن الهدف الاستثماري لمصانع الويفر الصغيرة هو 1/100 إلى 1/1000 من ذلك. نظرًا لأن حجم جميع أنواع المعدات صغير نسبيًا، فإنها لا تتطلب أرض مصنع واسعة النطاق، ولا تتطلب "أقنعة ضوئية" تستخدم لتشكيل الخطوط، وبالتالي فإن فرق التكلفة مقارنة بمصانع الويفر الضخمة كبير جدًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن دورة تسليم مصانع الويفر الصغيرة قصيرة للغاية. بالنسبة لإنتاج أشباه الموصلات على نطاق واسع، فإن الوقت من الإنتاج إلى التسليم طويل للغاية؛ تتبنى مصانع الويفر الصغيرة أسلوب "في الوقت المناسب" لإنتاج الكمية اللازمة في الوقت اللازم.

من المتوقع أن تلعب الخصائص المذكورة أعلاه دورًا في إنتاج كميات صغيرة وأنواع متعددة من أشباه الموصلات في اتجاه إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء). وقال المدير التمثيلي كورامورا: "نظرًا لأن حجم طلبات العملاء صغير، فيمكننا التعامل مع الطلبات الصغيرة التي لا تستطيع المسابك التعامل معها."

منذ إطلاق المشروع في عام 2008، قامت AIST بتطوير معدات الإنتاج و"الرقائق نصف بوصة". في الوقت نفسه، من أجل الترويج لمصانع الويفر الصغيرة في أسرع وقت ممكن، أنشأت AIST "وكالة ترويج لتصنيع الويفر الصغير" في مدينة تسوكوبا، محافظة إيباراكي، اليابان في عام 2017، لكن التقدم كان بطيئًا لأنهم لم يتمكنوا من العثور على لاعبين يمكن أن تستخدم ببراعة مصانع الويفر الصغيرة. قال المدير التمثيلي كورامورا، "لقد قمنا بتسويق معدات الإنتاج ورقائق الويفر نصف بوصة في وقت مبكر، لكننا لم نجد أشخاصًا وشركات موهوبين يمكنهم استخدام مصنعي الويفر الصغير بكفاءة."

لمزيد من الترويج لمصانع الرقاقات الصغيرة، تركز شركة Hundred Semiconductors Company على النماذج الأولية لأشباه الموصلات والطلبات التي لا تستطيع مصانع الويفر الضخمة استيعابها. تعمل مصانع الويفر الصغيرة على حل المشكلات خطوة بخطوة، مثل اتخاذ قرارات عمل معقدة (مثل التنبؤ الدقيق بطلب العملاء والحكم على جدوى الاستثمار) والانتقال من النماذج الأولية إلى الإنتاج الضخم. من خلال قبول الطلبات التي لا تستطيع مصانع الويفر الضخمة استيعابها، فإنها ستعزز بشكل أكبر مصانع الويفر الصغيرة.

واليوم، تعمل شركة Hundred Semiconductors Company بنشاط على الترويج لتصميم أشباه الموصلات والنماذج الأولية وأنشطة الإنتاج الضخم. الهدف هو تبادل الخبرات مع العملاء من أجل تحقيق هدف تعميم تكنولوجيا الإنتاج. وفي الوقت نفسه، سيستمرون في تحسين سرعة تحسين النماذج الأولية للتحرك بسرعة نحو الإنتاج الضخم.

بالإضافة إلى ذلك، تعمل AIST أيضًا على تعزيز تطوير برامج التصميم التي يمكن استخدامها لمصانع الويفر الصغيرة. هدفها هو تطوير PDK (مجموعة تصميم العمليات) لأشباه الموصلات التكميلية لأكسيد الفلز (CMOS) في غضون عام. وأيضًا، لتسهيل استخدامه، يفكرون في توحيد تصميمات الخطوط الأساسية وتحديد أولويات تطبيقها في البحث والتطوير. في المستقبل، سيتم تنفيذ النماذج الأولية في مركز AIST Seaside Urban Center (كوتو كو، طوكيو) ومركز تسوكوبا (مدينة تسوكوبا، محافظة إيباراكي).

بالإضافة إلى ذلك، تستكشف AIST تطبيقات جديدة. على سبيل المثال، بالنظر إلى مسألة استهلاك الطاقة، تناقش AIST سد الفجوة التي لا تستطيع الدوائر المتكاملة (FPGA، القابلة للبرمجة) تلبيتها، بهدف توفير ونشر المزيد من خدمات التصميم وتطوير العمليات. قالت AIST: "يمكننا الاستجابة بمرونة للمتطلبات المخصصة وتلبيتها."

أكملت AIST تطوير العمليات الأمامية (تشكيل الخطوط)، والترابط، والعمليات الأخرى. الهدف للسنوات الخمس القادمة هو دمج ركائز التعبئة والتغليف في "رقائق نصف بوصة". سيمكن ذلك من تعبئة أشباه الموصلات في مناطق أصغر وتقليل استهلاك الطاقة مع استكشاف المزيد من سيناريوهات التطبيق.

لمزيد من الترويج لمصانع الويفر الصغيرة، هدف AIST هو توسيع حجم إنتاج "رقائق نصف بوصة" لتحقيق إنتاج سنوي يبلغ 50,000 قطعة بعد خمس سنوات. وفي المستقبل، لا يخططون فقط لامتلاك قاعدة إنتاج خاصة بهم، بل يخططون أيضًا لتنفيذ الإنتاج بأنفسهم. وأشار المدير التمثيلي كورامورا إلى أنه "بالنسبة للشركات المشاركة في وكالة الترويج، تعد مصانع الويفر الصغيرة مجرد خيار واحد بالنسبة لهم. وسنستفيد بشكل كامل من دور القادة للترويج لنموذج الإنتاج هذا."

كان الموضوع الرئيسي لصناعة أشباه الموصلات دائمًا هو "الإنتاج الضخم والاستهلاك الضخم"، لكن مصانع الويفر الصغيرة يمكنها تزويد العملاء بالكمية المطلوبة عند الضرورة. ومع ذلك، من ناحية أخرى، فإنها تواجه أيضًا التحدي المتمثل في التعمق في قاعدة العملاء وتنمية قاعدة عملاء ذات احتياجات متعددة. وفي الوقت نفسه، تعمل AIST أيضًا بجد لتطوير التكنولوجيا لتوفير خدمات إنتاج وتصميم أشباه الموصلات للعديد من العملاء.