Semi-conducteurs au Japon : usines de fabrication de mini-wafers (partie II)

« Mini Wafer Fab » aide le Japon à retrouver son apogée ?

Bien que le Japon construise actuellement une usine de semi-conducteurs de 2 nanomètres et collabore avec TSMC pour implanter d'autres usines sur son territoire, cette stratégie est jugée inefficace par beaucoup. Pour l'industrie japonaise des semi-conducteurs, le développement de produits finis (semi-conducteurs) repose sur une exploitation optimale des atouts liés aux équipements et aux matériaux. La capacité à relever ce défi de taille provient des mini-usines de fabrication de plaquettes.

Il est généralement admis que la production de semi-conducteurs exige des investissements massifs. D'une part, les activités de fonderie de semi-conducteurs de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) et d'autres entreprises connaissent un développement rapide ; d'autre part, la demande croissante entraîne des délais de livraison toujours plus longs. Afin de remédier à ces longs délais et à la lenteur de la réactivité dans l'industrie des semi-conducteurs, l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) développe des « mini-usines de fabrication de plaquettes » depuis 2008. Ces usines, caractérisées par leur capacité à produire de petites quantités et une grande variété de semi-conducteurs, insufflent un nouvel élan à l'industrie.

Les usines de fabrication de mini-plaquettes n'ont traditionnellement été utilisées que pour le prototypage, mais afin de les appliquer rapidement à la production de masse, les chercheurs de l'AIST ont créé la « Hundred Semiconductors Company » en décembre 2022 (située dans la ville de Kashiwa, préfecture de Chiba, Japon). Le nom de l'entreprise contient la signification de « fournir aux clients plusieurs types de semi-conducteurs ». Son directeur représentant, M. Fumihito Kuramura, a déclaré : « Nous prévoyons de créer un monde dans lequel n'importe qui peut concevoir et produire des semi-conducteurs. »

L’un des avantages des mini-usines de fabrication de plaquettes est la capacité de produire n’importe quel nombre de semi-conducteurs, même un seul. Contrairement à la production de masse, son avantage réside dans la production de petites quantités et de variétés multiples.

Les mini-usines de plaquettes n'utilisent pas de plaquettes traditionnelles de grande taille, mais réalisent plutôt des circuits sur des « Half Inch Wafers » d'un diamètre de 12.5 cm. La taille de l'équipement de production est de 30 cm (largeur) * 144 cm (hauteur) * 45 cm (profondeur), et il peut effectuer de nombreux processus tels que l'exposition. Il peut également être utilisé conjointement avec les équipements de « Mega Fab (mega wafer fab) ». Étant donné que la taille des équipements utilisés dans chaque processus est similaire, des robots peuvent être utilisés pour transporter des tranches entre les équipements.

De plus, les usines de fabrication de mini-plaquettes disposent également d'une « mini-navette » capable de sceller des « gaufrettes d'un demi-pouce », éliminant ainsi le besoin de salles blanches. Bien qu’il soit difficile de l’appliquer à la production de semi-conducteurs ultra-avancés, il existe de nombreuses capacités pour produire des produits tels que des capteurs et des systèmes microélectromécaniques (MEMS).

L’un des avantages des mini-usines de fabrication de plaquettes est qu’elles peuvent réduire les investissements en équipements. En général, les méga-usines de fabrication de plaquettes nécessitent des investissements de plusieurs dizaines de milliards de yens (voire plus) en équipements. D’un autre côté, l’objectif d’investissement pour les usines de fabrication de mini-plaquettes est de 1/100 à 1/1000. Étant donné que la taille de tous les types d'équipements est relativement petite, ils ne nécessitent pas de terrain d'usine à grande échelle, ni de « photomasques » utilisés pour former les lignes, de sorte que la différence de coût par rapport aux méga-usines de fabrication de plaquettes est énorme.

De plus, le cycle de livraison des usines de fabrication de mini-wafers est extrêmement court. Pour la production de semi-conducteurs à grande échelle, le délai entre la production et la livraison est extrêmement long ; Les mini-usines de fabrication de plaquettes adoptent un mode « Juste à temps » pour produire la quantité nécessaire au moment nécessaire.

Les caractéristiques ci-dessus devraient jouer un rôle dans la production de petites quantités et de multiples variétés de semi-conducteurs dans le sens de l'IoT (Internet des objets). Le directeur représentant Kuramura a déclaré : « Étant donné que le volume des commandes des clients est faible, nous pouvons traiter de petites commandes que les fonderies ne peuvent pas gérer. »

Depuis le lancement du projet en 2008, l'AIST développe des équipements de production et des « Half Inch Wafers ». Dans le même temps, afin de promouvoir les mini-usines de fabrication de plaquettes le plus rapidement possible, l'AIST a créé une « agence de promotion des mini-usines de fabrication de plaquettes » dans la ville de Tsukuba, préfecture d'Ibaraki, au Japon, en 2017, mais les progrès ont été lents car ils n'ont pas pu trouver d'acteurs qui pourrait utiliser avec compétence des mini-usines de plaquettes. Le directeur représentant Kuramura a déclaré : « Nous avons commercialisé l'équipement de production et Half Inch Wafer très tôt, mais nous n'avons pas trouvé de personnes ni d'entreprises talentueuses capables d'utiliser efficacement les usines de fabrication de mini-wafers.

Pour promouvoir davantage les usines de fabrication de mini-plaquettes, Hundred Semiconductors Company se concentre sur les prototypes et les commandes de semi-conducteurs que les usines de fabrication de méga-plaquettes ne peuvent pas satisfaire. Les usines de fabrication de mini-plaquettes s'efforcent de résoudre des problèmes étape par étape, tels que la prise de décisions commerciales complexes (telles que la prévision précise de la demande des clients et l'évaluation de la faisabilité de l'investissement) et le passage du prototypage à la production de masse. En acceptant des commandes que les méga-fabriques de plaquettes ne peuvent pas absorber, elles favoriseront davantage les mini-fabriques de plaquettes.

Aujourd'hui, Hundred Semiconductors Company promeut activement les activités de conception, de prototypage et de production de masse de semi-conducteurs. L'objectif est de partager l'expérience avec les clients afin d'atteindre l'objectif de vulgarisation de la technologie de production. Dans le même temps, ils continueront d’améliorer la vitesse d’amélioration des prototypes pour passer rapidement à une production de masse.

En outre, l'AIST promeut également le développement de logiciels de conception pouvant être utilisés pour les usines de fabrication de mini-wafers. Son objectif est de développer d’ici un an un PDK (Process Design Kit) pour les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS). De plus, pour faciliter son utilisation, ils envisagent de standardiser la conception des lignes de base et de donner la priorité à leur application en R&D. À l'avenir, le prototypage sera réalisé au centre urbain AIST Seaside (Koto-ku, Tokyo) et au centre Tsukuba (ville de Tsukuba, préfecture d'Ibaraki).

De plus, l'AIST explore de nouvelles applications. Par exemple, en ce qui concerne la question de la consommation d'énergie, l'AIST envisage de combler le vide que les circuits intégrés (FPGA, programmables) ne peuvent pas combler, dans le but de fournir et de vulgariser davantage de services de conception et de développement de processus. L'AIST a déclaré : « Nous pouvons répondre de manière flexible et répondre aux exigences personnalisées. »

L'AIST a achevé le développement de processus front-end (lignes de formage), de collage et d'autres processus. L'objectif pour les cinq prochaines années est d'intégrer des substrats d'emballage sur des « Half Inch Wafers ». Cela permettra de conditionner les semi-conducteurs dans des zones plus petites et de réduire la consommation d'énergie tout en explorant davantage de scénarios d'application.

Afin de promouvoir davantage les usines de fabrication de mini-plaquettes, l'objectif de l'AIST est d'augmenter le volume de production de « Half Inch Wafers » pour atteindre une production annuelle de 50,000 XNUMX pièces après cinq ans. À l’avenir, ils envisagent non seulement de disposer de leur propre base de production, mais également de réaliser eux-mêmes leur production. Le directeur représentant Kuramura a souligné : « Pour les entreprises participant à l'agence de promotion, les usines de fabrication de mini-plaquettes ne sont qu'une option. Nous tirerons pleinement parti du rôle des dirigeants pour promouvoir ce modèle de production.

Le thème principal de l'industrie des semi-conducteurs a toujours été « production de masse, consommation de masse », mais les usines de fabrication de mini-plaquettes peuvent fournir aux clients la quantité requise lorsque cela est nécessaire. Cependant, d’un autre côté, elle est également confrontée au défi de creuser plus profondément la clientèle et de cultiver une clientèle aux besoins multiples. Dans le même temps, l'AIST travaille également dur pour développer une technologie permettant de fournir des services de production et de conception de semi-conducteurs à de nombreux clients.