Japans Halbleiter: Mini-Waferfabriken (Teil II)

„Mini Wafer Fab“ hilft Japan, seinen Höhepunkt wiederzuerlangen?

Obwohl Japan derzeit eine 2-Nanometer-Halbleiterfabrik baut und mit TSMC zusammenarbeitet, um Fabriken in Japan zu bauen, wird dies von vielen nicht als wirksame Strategie angesehen. Für die japanische Halbleiterindustrie kann die Entwicklung fertiger Produkte (Halbleiter) durch die vollständige Nutzung der Ausrüstungs- und Materialstärken erreicht werden. Die Kraft, die diese gewaltige Aufgabe bewältigen kann, kommt von „Mini-Wafer-Fabs“.

Es wird allgemein angenommen, dass die Halbleiterproduktion massive Investitionen erfordert. Einerseits entwickeln sich die Halbleiter-Foundry-Geschäfte der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) und anderer Unternehmen in der Branche rasant; Andererseits hat die stetig steigende Nachfrage zu immer längeren Halbleiterlieferzeiten geführt. Um das Problem langer Lieferzeiten und langsamer Reaktionsgeschwindigkeit in der Halbleiterindustrie zu lösen, entwickelt das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) seit 2008 „Mini-Wafer-Fabs“. „Mini-Wafer-Fabs“ zeichnen sich durch die Fähigkeit aus um kleine Mengen und verschiedene Arten von Halbleitern zu produzieren und so neue Trends in die Halbleiterproduktionsindustrie zu bringen.

Mini-Wafer-Fabriken wurden traditionell nur für die Prototypenherstellung verwendet, aber um sie schnell in der Massenproduktion einzusetzen, gründeten die AIST-Forscher im Dezember 2022 die „Hundred Semiconductors Company“ (mit Sitz in der Stadt Kashiwa, Präfektur Chiba, Japan). Der Firmenname beinhaltet die Bedeutung „Kunden mit mehreren Arten von Halbleitern versorgen“. Sein stellvertretender Direktor, Herr Fumihito Kuramura, sagte: „Wir planen, eine Welt zu schaffen, in der jeder Halbleiter entwerfen und produzieren kann.“

Einer der Vorteile von Mini-Wafer-Fabs ist die Möglichkeit, beliebig viele Halbleiter herzustellen, sogar nur einen. Im Gegensatz zur Massenproduktion liegt der Vorteil darin, kleine Mengen und mehrere Sorten herzustellen.

Mini-Waferfabriken verwenden keine herkömmlichen großformatigen Wafer, sondern fertigen Schaltkreise auf „Half Inch Wafers“ mit einem Durchmesser von 12.5 cm. Die Größe der Produktionsausrüstung beträgt 30 cm (Breite) * 144 cm (Höhe) * 45 cm (Tiefe) und kann viele Prozesse wie Belichtung durchführen. Es kann auch in Verbindung mit der Ausrüstung von „Mega Fab (Mega Wafer Fab)“ verwendet werden. Da die Größe der in jedem Prozess verwendeten Geräte ähnlich ist, können Roboter zum Transport von Wafern zwischen den Geräten eingesetzt werden.

Darüber hinaus verfügen Mini-Wafer-Fabriken auch über ein „Mini-Shuttle“, das „Halbzoll-Wafer“ versiegeln kann, wodurch Reinräume überflüssig werden. Während es schwierig ist, es auf die Produktion hochentwickelter Halbleiter anzuwenden, gibt es genügend Kapazitäten für die Produktion von Produkten wie Sensoren und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS).

Einer der Vorteile von Mini-Wafer-Fabs besteht darin, dass sie die Ausrüstungsinvestitionen reduzieren können. Im Allgemeinen erfordern Mega-Wafer-Fabriken Investitionen in Höhe von mehreren zehn Milliarden Yen (oder sogar noch mehr) in die Ausrüstung. Andererseits beträgt das Investitionsziel für Mini-Wafer-Fabs 1/100 bis 1/1000 davon. Da die Größe aller Arten von Geräten relativ klein ist, sind weder große Fabrikflächen noch „Fotomasken“ zur Bildung von Linien erforderlich, sodass der Kostenunterschied im Vergleich zu Mega-Wafer-Fabriken enorm ist.

Darüber hinaus ist der Lieferzyklus von Mini-Wafer-Fabs extrem kurz. Bei der Halbleiterproduktion im großen Maßstab ist die Zeit von der Produktion bis zur Auslieferung extrem lang; Mini-Waferfabriken verwenden einen „Just-in-Time“-Modus, um die erforderliche Menge zum erforderlichen Zeitpunkt zu produzieren.

Es wird erwartet, dass die oben genannten Eigenschaften bei der Produktion kleiner Mengen und vielfältiger Halbleitertypen in Richtung IoT (Internet der Dinge) eine Rolle spielen. Representative Director Kuramura sagte: „Da das Kundenauftragsvolumen gering ist, können wir kleine Aufträge bearbeiten, die Gießereien nicht bearbeiten können.“

Seit dem Start des Projekts im Jahr 2008 entwickelt AIST Produktionsanlagen und „Half Inch Wafers“. Um Mini-Wafer-Fabriken so schnell wie möglich zu fördern, gründete AIST gleichzeitig im Jahr 2017 eine „Mini-Wafer-Fabriken-Werbeagentur“ in Tsukuba City, Präfektur Ibaraki, Japan, aber die Fortschritte waren langsam, da sie keine Spieler finden konnten, die dies tun würden könnte Mini-Wafer-Fabs kompetent nutzen. Representative Director Kuramura sagte: „Wir haben die Produktionsausrüstung und Halbzoll-Wafer schon früh kommerzialisiert, aber wir haben keine talentierten Leute und Unternehmen gefunden, die Mini-Wafer-Fabriken kompetent nutzen können.“

Um Mini-Wafer-Fabriken weiter zu fördern, konzentriert sich Hundred Semiconductors Company auf Halbleiter-Prototypen und Aufträge, die in Mega-Wafer-Fabriken nicht möglich sind. Mini-Wafer-Fabriken arbeiten Schritt für Schritt an der Lösung von Problemen, wie z. B. dem Treffen komplexer Geschäftsentscheidungen (z. B. der genauen Vorhersage der Kundennachfrage und der Beurteilung der Durchführbarkeit von Investitionen) und dem Übergang vom Prototyping zur Massenproduktion. Durch die Annahme von Aufträgen, die Mega-Wafer-Fabriken nicht aufnehmen können, werden sie Mini-Wafer-Fabriken weiter fördern.

Heute fördert Hundred Semiconductors Company aktiv Halbleiterdesign-, Prototyping- und Massenproduktionsaktivitäten. Ziel ist es, Erfahrungen mit Kunden zu teilen, um das Ziel der Popularisierung der Produktionstechnologie zu erreichen. Gleichzeitig werden sie die Verbesserungsgeschwindigkeit von Prototypen weiter erhöhen, um schnell zur Massenproduktion überzugehen.

Darüber hinaus fördert AIST auch die Entwicklung von Design-Software, die für Mini-Wafer-Fabs eingesetzt werden kann. Ziel ist es, innerhalb eines Jahres ein PDK (Process Design Kit) für komplementäre Metalloxidhalbleiter (CMOS) zu entwickeln. Um die Verwendung zu vereinfachen, erwägen sie außerdem die Standardisierung grundlegender Liniendesigns und die Priorisierung ihrer Anwendung in Forschung und Entwicklung. Zukünftig wird das Prototyping im AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokio) und im Tsukuba Center (Tsukuba City, Präfektur Ibaraki) durchgeführt.

Darüber hinaus erforscht AIST neue Anwendungen. Im Hinblick auf das Problem des Stromverbrauchs diskutiert AIST beispielsweise darüber, die Lücke zu schließen, die integrierte Schaltkreise (FPGA, programmierbar) nicht schließen können, mit dem Ziel, mehr Design- und Prozessentwicklungsdienste bereitzustellen und bekannt zu machen. AIST sagte: „Wir können flexibel auf individuelle Anforderungen reagieren und diese erfüllen.“

AIST hat die Entwicklung von Front-End-Prozessen (Formungslinien), Bonding und anderen Prozessen abgeschlossen. Das Ziel für die nächsten fünf Jahre ist die Integration von Verpackungssubstraten auf „Half Inch Wafers“. Dies ermöglicht die Unterbringung von Halbleitern auf kleineren Flächen, reduziert den Stromverbrauch und ermöglicht gleichzeitig die Erforschung weiterer Anwendungsszenarien.

Um Mini-Wafer-Fabs weiter voranzutreiben, ist es das Ziel von AIST, das Produktionsvolumen von „Half Inch Wafers“ zu erweitern, um nach fünf Jahren eine Jahresproduktion von 50,000 Stück zu erreichen. Zukünftig ist geplant, nicht nur über eine eigene Produktionsbasis zu verfügen, sondern auch die Produktion selbst durchzuführen. Representative Director Kuramura betonte: „Für Unternehmen, die an der Werbeagentur teilnehmen, sind Mini-Wafer-Fabriken nur eine Option. Wir werden die Rolle der Führungskräfte voll ausschöpfen, um dieses Produktionsmodell zu fördern.“

Das Hauptthema der Halbleiterindustrie war schon immer „Massenproduktion, Massenverbrauch“, aber Mini-Waferfabriken können Kunden bei Bedarf mit der benötigten Menge versorgen. Andererseits steht es aber auch vor der Herausforderung, tiefer in den Kundenstamm einzudringen und einen Kundenstamm mit vielfältigen Bedürfnissen aufzubauen. Gleichzeitig arbeitet AIST intensiv an der Entwicklung von Technologien, um vielen Kunden Halbleiterproduktions- und Designdienstleistungen anbieten zu können.