המוליך למחצה של יפן: מיני ויפריות (חלק ב')

"Mini Wafer Fab" עוזר ליפן להחזיר את השיא שלה?

למרות שיפן בונה כעת מפעל מוליכים למחצה של 2 ננומטר ומשותפת עם TSMC לבניית מותגים ביפן, זה לא נתפס כאסטרטגיה יעילה בעיני רבים. עבור תעשיית המוליכים למחצה היפנית, ניתן להשיג פיתוח של מוצרים מוגמרים (מוליכים למחצה) על ידי מינוף מלא של ציוד וחוזק חומרים. הכוח שיכול לקחת על עצמו את המשימה הענקית הזו נובע מ"מיני ופל פאבים".

מקובל לחשוב שייצור מוליכים למחצה דורש השקעות אדירות. מצד אחד, עסקי יציקת המוליכים למחצה של טייוואן (TSMC) וחברות אחרות מתפתחים במהירות בתעשייה; מצד שני, הביקוש הגובר והולך הוביל לזמני אספקה ארוכים יותר ויותר של מוליכים למחצה. כדי לפתור את בעיית זמני האספקה הארוכים ומהירות התגובה האיטית בתעשיית המוליכים למחצה, המכון הלאומי למדע וטכנולוגיה תעשייתיים מתקדמים (AIST) מפתח "מפעלי מיני ופלים" מאז 2008. "מפעלי מיני ופלים" מאופיינים ביכולת לייצר כמויות קטנות ומגוון מגוון של מוליכים למחצה, מה שמביא מגמות חדשות לתעשיית ייצור המוליכים למחצה.

דגמי מיני רקיק שימשו באופן מסורתי רק לייצור אב טיפוס, אך כדי ליישם אותם במהירות לייצור המוני, החוקרים של AIST הקימו את "חברת מאה מוליכים למחצה" בדצמבר 2022 (ממוקמת בעיר קאשיווה, מחוז צ'יבה, יפן). שם החברה מכיל את המשמעות של "לספק ללקוחות מספר סוגים של מוליכים למחצה". המנהל הנציג שלה, מר Fumihito Kuramura, אמר: "אנחנו מתכננים ליצור עולם שבו כל אחד יכול לעצב ולייצר מוליכים למחצה".

אחד היתרונות של מיני-wafer fabs הוא היכולת לייצר כל מספר של מוליכים למחצה, אפילו רק אחד. בניגוד לייצור המוני, היתרון שלו טמון בייצור כמויות קטנות וריבוי זנים.

מיני וופרים לא משתמשים בפרוסות מסורתיות בגודל גדול, אלא מייצרות מעגלים על "חצי אינץ' פרוסות" בקוטר של 12.5 ס"מ. גודל ציוד הייצור הוא 30 ס"מ (רוחב) * 144 ס"מ (גובה) * 45 ס"מ (עומק), והוא יכול לבצע תהליכים רבים כמו חשיפה. זה יכול לשמש גם בשילוב עם הציוד של "מגה פאב (מגה ופל פאב)". מכיוון שגודל הציוד המשמש בכל תהליך דומה, ניתן להשתמש ברובוטים להעברת פרוסות בין ציוד.

בנוסף, מיני רקיקות כוללות גם "מיני מעבורת" שיכולה לאטום "חצי אינץ' וופל", ומבטלת את הצורך בחדרים נקיים. למרות שקשה ליישם את הייצור של מוליכים למחצה מתקדמים במיוחד, יש הרבה יכולת לייצר מוצרים כמו חיישנים ומערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS).

אחד היתרונות של מיני רקיקונים הוא שהם יכולים להפחית את ההשקעה בציוד. באופן כללי, מגה וופרים דורשים השקעות של עשרות מיליארדי ין (או אפילו יותר) בציוד. מצד שני, יעד ההשקעה ל-mini wafer fabs הוא 1/100 עד 1/1000 מזה. מכיוון שגודלו של כל סוגי הציוד קטן יחסית, הוא אינו מצריך שטח מפעל בקנה מידה גדול, ואינו מצריך "מסיכות פוטו-מסכות" המשמשות ליצירת קווים, כך שההבדל בעלויות בהשוואה ל-Mega wafer fabs הוא עצום.

בנוסף, מחזור האספקה של מיני רקיקונים קצר במיוחד. עבור ייצור מוליכים למחצה בקנה מידה גדול, הזמן מהייצור ועד המסירה הוא ארוך במיוחד; מיני ויפלס מאמצים מצב "Just In Time" של ייצור הכמות הדרושה בזמן הדרוש.

המאפיינים הנ"ל צפויים למלא תפקיד בייצור של כמויות קטנות וזנים מרובים של מוליכים למחצה בכיוון של IoT (Internet of Things). המנהל הנציג Kuramura אמר, "מכיוון שנפח ההזמנות של הלקוחות קטן, אנחנו יכולים לטפל בהזמנות קטנות שחברות היציקה לא יכולות לטפל בהן".

מאז השקת הפרויקט ב-2008, AIST מפתחת ציוד ייצור ו-"Half Inch Wafers". במקביל, על מנת לקדם מיני רקיקות בהקדם האפשרי, AIST הקימה "סוכנות לקידום מיני רקות" בעיר צוקובה, מחוז איבארקי, יפן בשנת 2017, אך ההתקדמות הייתה איטית מכיוון שהם לא הצליחו למצוא שחקנים יכול להשתמש במיומנות של מיני רקיקונים. המנהל הנציג Kuramura אמר, "סיחרנו את ציוד הייצור ואת ה-Half Inch Wafer מוקדם, אבל לא מצאנו אנשים וחברות מוכשרים שיכולים להשתמש במיני רקיקות במיומנות."

כדי לקדם עוד יותר את ה-Mini Wafer Fabbs, Hundred Semiconductors Company מתמקדת באבות טיפוס והזמנות של מוליכים למחצה ש-Mega Wafer Fabbs לא יכולים להכיל. Mini wafer fabs עובדים על פתרון בעיות צעד אחר צעד, כמו קבלת החלטות עסקיות מורכבות (כגון חיזוי מדויק של דרישת הלקוחות ושפוט כדאיות ההשקעה) ומעבר מאב-טיפוס לייצור המוני. על ידי קבלת הזמנות ש-mega wafer fabs לא יכולים לספוג, הם יקדמו עוד יותר את fabs mini wafers.

כיום, חברת Hundred Semiconductors מקדמת באופן פעיל עיצוב מוליכים למחצה, יצירת אבות טיפוס וייצור המוני. המטרה היא לחלוק ניסיון עם לקוחות על מנת להשיג את המטרה של פופוליזציה של טכנולוגיית הייצור. במקביל, הם ימשיכו לשפר את מהירות השיפור של אבות טיפוס כדי להתקדם במהירות לייצור המוני.

בנוסף, AIST גם מקדמת פיתוח תוכנות עיצוב שיכולות לשמש ל-mini wafer fabs. המטרה שלה היא לפתח PDK (ערכת עיצוב תהליכים) עבור מוליכים למחצה תחמוצת מתכת משלימים (CMOS) בתוך שנה. כמו כן, כדי להקל על השימוש, הם שוקלים סטנדרטיזציה של עיצובי קווים בסיסיים ולתעדף את היישום שלהם במו"פ. בעתיד, יבוצע אב טיפוס במרכז העירוני AIST Seaside (קוטו-קו, טוקיו) ובמרכז צוקובה (עיר צוקובה, מחוז איבארקי).

בנוסף, AIST בוחנת יישומים חדשים. לדוגמה, בהתחשב בסוגיית צריכת החשמל, AIST דנה במילוי הפער שמעגלים משולבים (FPGA, ניתנים לתכנות) אינם יכולים לעמוד בו, במטרה לספק ולפופולארי יותר שירותי עיצוב ופיתוח תהליכים. AIST אמר, "אנחנו יכולים להגיב בצורה גמישה ולעמוד בדרישות מותאמות אישית."

AIST השלימה את הפיתוח של תהליכים חזיתיים (יצירת קווים), חיבור ותהליכים אחרים. המטרה לחמש השנים הקרובות היא לשלב מצעי אריזה על גבי "חצי אינץ' פרוסות". זה יאפשר לארוז מוליכים למחצה באזורים קטנים יותר ולהפחית את צריכת החשמל תוך בחינת תרחישי יישומים נוספים.

כדי לקדם עוד יותר את ה-Mini Wafer Fabbs, המטרה של AIST היא להרחיב את נפח הייצור של "Half Inch Wafers" כדי להשיג ייצור שנתי של 50,000 חתיכות לאחר חמש שנים. בעתיד, הם לא רק מתכננים לקבל בסיס ייצור משלהם אלא גם לבצע ייצור בעצמם. המנהל הנציג Kuramura ציין, "עבור חברות המשתתפות בסוכנות הקידום, מיני רקיקונים הם רק אפשרות אחת עבורן. אנו נמנף באופן מלא את תפקיד המנהיגים כדי לקדם את מודל הייצור הזה".

הנושא המרכזי של תעשיית המוליכים למחצה תמיד היה "ייצור המוני, צריכה המונית", אך פקקים מיני יכולים לספק ללקוחות את הכמות הנדרשת בעת הצורך. עם זאת, מצד שני, היא גם מתמודדת עם האתגר של חפירה עמוקה יותר בבסיס הלקוחות וטיפוח קהל לקוחות עם צרכים מרובים. במקביל, AIST גם עובדת קשה כדי לפתח טכנולוגיה כדי לספק שירותי ייצור ועיצוב מוליכים למחצה ללקוחות רבים.