نیمه هادی ژاپن: مینی ویفر فاب (قسمت دوم)

"مینی ویفر فاب" به ژاپن کمک می کند تا اوج خود را بازیابد؟

اگرچه ژاپن در حال حاضر در حال ساخت یک کارخانه نیمههادی ۲ نانومتری است و با TSMC برای ساخت کارخانهها در ژاپن همکاری میکند، اما بسیاری این را یک استراتژی مؤثر نمیدانند. برای صنعت نیمههادی ژاپن، توسعه محصولات نهایی (نیمههادیها) میتواند با استفاده کامل از تجهیزات و نقاط قوت مواد حاصل شود. قدرتی که میتواند این کار عظیم را انجام دهد از "کارخانههای ویفر کوچک" ناشی میشود.

عموماً اعتقاد بر این است که تولید نیمههادیها نیاز به سرمایهگذاریهای عظیم دارد. از یک سو، شرکت تولید نیمههادی تایوان (TSMC) و سایر شرکتهای فعال در زمینه ریختهگری نیمههادی در این صنعت به سرعت در حال توسعه هستند؛ از سوی دیگر، تقاضای روزافزون منجر به زمان تحویل نیمههادی طولانیتر و طولانیتر شده است. برای حل مشکل زمان تحویل طولانی و سرعت پاسخ آهسته در صنعت نیمههادی، مؤسسه ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته (AIST) از سال ۲۰۰۸ در حال توسعه «کارخانههای مینی ویفر» است. «کارخانههای مینی ویفر» با توانایی تولید مقادیر کم و انواع مختلف نیمههادیها مشخص میشوند و روندهای جدیدی را به صنعت تولید نیمههادی میآورند.

مینی ویفرها به طور سنتی فقط برای نمونهسازی مورد استفاده قرار میگرفتند، اما به منظور به کارگیری سریع آنها در تولید انبوه، محققان AIST «شرکت صدها نیمهرسانا» را در دسامبر 2022 (واقع در شهر کاشیوا، استان چیبا، ژاپن) تأسیس کردند. نام شرکت حاوی معنای "ارائه چندین نوع نیمه هادی به مشتریان" است. مدیر نماینده آن، آقای فومیهیتو کورامورا، گفت: "ما قصد داریم جهانی بسازیم که در آن هر کسی بتواند نیمه هادی ها را طراحی و تولید کند."

یکی از مزایای مینی ویفر فاب توانایی تولید هر تعداد نیمه هادی حتی یک عدد است. برخلاف تولید انبوه، مزیت آن در تولید مقادیر کم و انواع متعدد است.

ویفرهای مینی ویفر از ویفرهای سنتی با اندازه بزرگ استفاده نمی کنند، بلکه مدارهایی را روی "ویفرهای نیم اینچی" با قطر 12.5 سانتی متر می سازند. اندازه تجهیزات تولیدی 30 سانتی متر (عرض) * 144 سانتی متر (ارتفاع) * 45 سانتی متر (عمق) است و می تواند بسیاری از فرآیندها مانند نوردهی را انجام دهد. همچنین می توان از آن به همراه تجهیزات "مگا فاب (مگا ویفر فاب)" استفاده کرد. از آنجایی که اندازه تجهیزات مورد استفاده در هر فرآیند مشابه است، می توان از روبات ها برای انتقال ویفر بین تجهیزات استفاده کرد.

علاوه بر این، مینی ویفر فابریک ها همچنین دارای یک "مینی شاتل" هستند که می تواند "ویفرهای نیم اینچی" را مهر و موم کند و نیازی به اتاق های تمیز را از بین ببرد. در حالی که استفاده از آن برای تولید نیمه هادی های فوق پیشرفته دشوار است، ظرفیت زیادی برای تولید محصولاتی مانند سنسورها و سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) وجود دارد.

یکی از مزایای مینی ویفر فاب این است که می توانند سرمایه گذاری تجهیزات را کاهش دهند. به طور کلی، فابریک های مگا ویفر نیاز به سرمایه گذاری ده ها میلیارد ین (یا حتی بیشتر) در تجهیزات دارند. از طرف دیگر، هدف سرمایه گذاری برای مینی ویفر فابریک 1/100 تا 1/1000 آن است. از آنجایی که اندازه انواع تجهیزات نسبتاً کوچک است، به زمین کارخانه در مقیاس بزرگ نیاز ندارد، و همچنین نیازی به "ماسک عکس" مورد استفاده برای تشکیل خطوط ندارد، بنابراین تفاوت هزینه در مقایسه با مگا ویفر فاب بسیار زیاد است.

علاوه بر این، چرخه تحویل مینی ویفر فاب بسیار کوتاه است. برای تولید نیمه هادی در مقیاس بزرگ، زمان از تولید تا تحویل بسیار طولانی است. مینی ویفرهای فابریک از حالت "Just In Time" استفاده می کنند تا مقدار لازم را در زمان لازم تولید کنند.

انتظار می رود ویژگی های فوق در تولید مقادیر کم و انواع مختلف نیمه هادی ها در جهت IoT (اینترنت اشیا) نقش داشته باشد. مدیر نماینده کورامورا گفت: "از آنجایی که حجم سفارش مشتری کم است، ما می توانیم سفارش های کوچکی را انجام دهیم که Foundries قادر به انجام آنها نیست."

از زمان راه اندازی این پروژه در سال 2008، AIST در حال توسعه تجهیزات تولید و "ویفرهای نیم اینچی" بوده است. در همان زمان، به منظور ترویج هرچه سریعتر محصولات مینی ویفر، AIST در سال 2017 در شهر تسوکوبا، استان ایباراکی، ژاپن یک "آژانس ارتقاء مینی ویفر فاب" تاسیس کرد، اما پیشرفت کند بود زیرا آنها نتوانستند بازیکنانی را پیدا کنند که می تواند به خوبی از مینی ویفر فابریک استفاده کند. مدیر نماینده کورامورا گفت: "ما تجهیزات تولید و ویفر نیم اینچی را زودتر تجاری کرده ایم، اما افراد و شرکت های با استعدادی را پیدا نکرده ایم که بتوانند به طور ماهرانه از ویفرهای کوچک استفاده کنند."

شرکت صد نیمه هادی برای ترویج بیشتر ساخت ویفرهای کوچک، بر روی نمونه های اولیه نیمه هادی ها و سفارشاتی تمرکز می کند که فابریک های بزرگ ویفر نمی توانند آنها را بپذیرند. کارخانه های تولید ویفر مینی در حال کار بر روی حل مسائل گام به گام هستند، مانند تصمیم گیری های تجاری پیچیده (مانند پیش بینی دقیق تقاضای مشتری و قضاوت در مورد امکان سرمایه گذاری) و انتقال از نمونه سازی به تولید انبوه. با پذیرش سفارشهایی که فابهای ویفر بزرگ نمیتوانند جذب کنند، مینی ویفر فابر را بیشتر تبلیغ میکنند.

امروزه، شرکت صد نیمه هادی به طور فعال در حال ترویج فعالیت های طراحی نیمه هادی، نمونه سازی اولیه و تولید انبوه است. هدف، به اشتراک گذاشتن تجربه با مشتریان به منظور دستیابی به هدف رواج فناوری تولید است. در عین حال، آنها به بهبود سرعت بهبود نمونه های اولیه ادامه خواهند داد تا به سرعت به سمت تولید انبوه حرکت کنند.

علاوه بر این، AIST همچنین توسعه نرم افزار طراحی را ترویج می کند که می تواند برای مینی ویفرها استفاده شود. هدف آن ایجاد PDK (کیت طراحی فرآیند) برای نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل (CMOS) در مدت یک سال است. همچنین، برای سهولت استفاده، استانداردسازی طرحهای خطوط پایه و اولویتبندی کاربرد آنها در تحقیق و توسعه را در نظر گرفتهاند. در آینده، نمونه سازی در مرکز شهری ساحلی AIST (کوتو-کو، توکیو) و مرکز تسوکوبا (شهر تسوکوبا، استان ایباراکی) انجام خواهد شد.

علاوه بر این، AIST در حال بررسی برنامه های کاربردی جدید است. به عنوان مثال، با توجه به موضوع مصرف انرژی، AIST در حال بحث پر کردن شکافی است که مدارهای مجتمع (FPGA، قابل برنامه ریزی) نمی توانند برآورده کنند، با هدف ارائه و محبوبیت بیشتر خدمات طراحی و توسعه فرآیند. AIST گفت: "ما می توانیم به طور انعطاف پذیر به نیازهای سفارشی پاسخ دهیم و آنها را برآورده کنیم."

AIST توسعه فرآیندهای جلویی (خطوط تشکیل)، پیوند و سایر فرآیندها را تکمیل کرده است. هدف برای پنج سال آینده ادغام بسترهای بسته بندی روی "ویفرهای نیم اینچی" است. این امر باعث می شود نیمه هادی ها در مناطق کوچکتر بسته بندی شوند و مصرف برق را کاهش دهند و در عین حال سناریوهای کاربردی بیشتری را بررسی کنند.

هدف AIST برای ترویج بیشتر تولید ویفرهای کوچک، گسترش حجم تولید "ویفرهای نیم اینچی" برای دستیابی به تولید سالانه 50,000 قطعه پس از پنج سال است. آنها در آینده نه تنها قصد دارند پایگاه تولید خود را داشته باشند بلکه به تنهایی تولید را نیز انجام دهند. مدیر نماینده کورامورا خاطرنشان کرد: "برای شرکتهایی که در آژانس تبلیغاتی شرکت میکنند، مینی ویفرها تنها یک گزینه برای آنهاست. ما به طور کامل از نقش رهبران برای ترویج این مدل تولید استفاده خواهیم کرد."

موضوع اصلی صنعت نیمه هادی ها همیشه «تولید انبوه، مصرف انبوه» بوده است، اما مینی فاب ویفر می تواند در صورت لزوم مقدار مورد نیاز را در اختیار مشتریان قرار دهد. با این حال، از سوی دیگر، با چالش عمیقتر کاوش در پایگاه مشتری و پرورش پایگاه مشتری با نیازهای متعدد مواجه است. در عین حال، AIST نیز سخت در حال کار برای توسعه فناوری برای ارائه خدمات تولید و طراحی نیمه هادی برای بسیاری از مشتریان است.