"미니 웨이퍼 팹"이 일본의 전성기를 되찾는 데 도움이 될까?

일본은 현재 2나노미터 반도체 팹을 건설하고 있으며 TSMC와 협력하여 일본에 팹을 건설하고 있지만 많은 사람들은 이것이 효과적인 전략으로 간주되지 않습니다. 일본 반도체 산업의 경우, 장비와 소재의 강점을 최대한 활용하여 완제품(반도체) 개발을 달성할 수 있습니다. 이 거대한 일을 해낼 수 있는 힘은 '미니 웨이퍼 팹'에서 나온다.

일반적으로 반도체를 생산하려면 막대한 투자가 필요하다고 여겨집니다. 한편, TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 및 기타 기업의 반도체 파운드리 사업이 업계에서 빠르게 발전하고 있습니다. 반면에 수요가 계속 증가함에 따라 반도체 배송 시간이 점점 더 길어지고 있습니다. 반도체 업계의 긴 납품 시간과 느린 응답 속도 문제를 해결하기 위해 산업기술종합연구소(AIST)는 2008년부터 '미니 웨이퍼 팹'을 개발해 왔다. '미니 웨이퍼 팹'의 특징은 다음과 같다. 소량 다품종 반도체 생산을 통해 반도체 생산 산업에 새로운 트렌드를 제시하고 있습니다.

미니 웨이퍼 팹은 전통적으로 프로토타입 제작에만 사용됐지만 이를 빠르게 양산에 적용하기 위해 AIST 연구진은 2022년 XNUMX월 'Hundred Semiconductors Company'(일본 지바현 카시와시 소재)를 설립했다. 회사명에는 '여러 종류의 반도체를 고객에게 제공한다'는 의미가 담겨 있다. 쿠라무라 후미히토 대표이사는 "누구나 반도체를 설계하고 생산할 수 있는 세상을 만들 계획"이라고 말했다.

미니 웨이퍼 팹의 장점 중 하나는 단 한 개라도 원하는 만큼의 반도체를 생산할 수 있다는 것입니다. 대량생산과 달리 소량, 다품종 생산이 장점이다.

미니 웨이퍼 팹은 기존의 대형 웨이퍼를 사용하지 않고 직경 12.5cm의 '하프인치 웨이퍼'에 회로를 만든다. 제작장비의 크기는 30cm(가로) * 144cm(높이) * 45cm(깊이)이며, 노광 등 다양한 공정을 수행할 수 있다. "Mega Fab(메가 웨이퍼 팹)"의 장비와 연동하여 사용할 수도 있습니다. 각 공정에 사용되는 장비의 크기가 비슷하기 때문에 로봇을 이용해 장비 간 웨이퍼를 운반할 수 있다.

또한 미니 웨이퍼 팹에는 "하프인치 웨이퍼"를 밀봉할 수 있는 "미니 셔틀"도 탑재되어 있어 클린룸이 필요하지 않습니다. 초첨단 반도체 생산에는 적용하기 어렵지만, 센서, 미세전자기계시스템(MEMS) 등 제품을 생산할 수 있는 여력은 충분하다.

미니웨이퍼 팹의 장점 중 하나는 장비 투자를 줄일 수 있다는 점이다. 일반적으로 메가웨이퍼 팹에는 수백억 엔(또는 그 이상)의 장비 투자가 필요합니다. 반면 미니웨이퍼 팹의 투자 목표는 그 1/100~1/1000이다. 각종 장비의 크기가 상대적으로 작기 때문에 대규모 공장 부지도 필요하지 않고, 라인 형성에 사용되는 '포토마스크'도 필요하지 않아 메가웨이퍼 팹과 비교하면 비용 차이가 크다.

또한, 미니 웨이퍼 팹의 납품 주기는 매우 짧습니다. 대규모 반도체 생산의 경우 생산부터 배송까지의 시간이 매우 깁니다. 미니 웨이퍼 팹은 필요한 시간에 필요한 양을 생산하는 'Just In Time' 모드를 채택하고 있습니다.

이러한 특성은 IoT(사물인터넷) 방향으로 반도체의 소량 다품종 생산에 역할을 할 것으로 기대된다. 구라무라 대표이사는 “고객 주문량이 적기 때문에 파운드리가 처리할 수 없는 소량 주문도 처리할 수 있다”고 말했다.

AIST는 2008년 프로젝트를 시작한 이후 생산 장비와 '하프인치 웨이퍼'를 개발해 왔다. 동시에 AIST는 미니웨이퍼팹을 조속히 추진하기 위해 2017년 일본 이바라키현 츠쿠바시에 '미니웨이퍼팹 추진기관'을 설립했지만, 이를 뒷받침할 선수를 찾지 못해 진전이 더뎠다. 미니웨이퍼 팹을 능숙하게 사용할 수 있습니다. 구라무라 대표는 "생산장비와 하프인치 웨이퍼를 조기에 상용화했지만 미니웨이퍼 팹을 능숙하게 활용할 수 있는 인재와 기업을 찾지 못했다"고 말했다.

헌드레드반도체컴퍼니는 미니웨이퍼 팹을 더욱 활성화하기 위해 메가웨이퍼 팹이 감당할 수 없는 반도체 프로토타입과 주문에 집중하고 있다. 미니웨이퍼 팹에서는 고객 수요를 정확하게 예측하고 투자 타당성을 판단하는 등 복잡한 사업 의사결정, 시제품 제작에서 양산까지 단계적으로 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 메가웨이퍼 팹이 소화할 수 없는 주문을 받아 미니웨이퍼 팹을 더욱 육성하겠다는 것이다.

현재 Hundred Semiconductors Company는 반도체 설계, 프로토타이핑, 양산 활동을 적극적으로 추진하고 있습니다. 생산기술 대중화라는 목표를 달성하기 위해 고객과 경험을 공유하는 것이 목표다. 동시에, 프로토타입의 개선 속도를 지속적으로 향상시켜 대량 생산에 빠르게 다가갈 것입니다.

또한 AIST는 미니웨이퍼 팹에 사용할 수 있는 설계 소프트웨어 개발도 추진하고 있다. 1년 안에 상보형금속산화물반도체(CMOS)용 PDK(Process Design Kit)를 개발하는 것이 목표다. 또한 사용 편의성을 높이기 위해 기본 라인 설계를 표준화하고 연구개발에 우선 적용하는 방안도 검토 중이다. 앞으로는 AIST Seaside Urban Center(도쿄도 고토구)와 쓰쿠바 센터(이바라키현 쓰쿠바시)에서 프로토타입을 진행할 예정이다.

또한 AIST는 새로운 응용 분야를 모색하고 있습니다. 예를 들어, 전력 소비 문제를 고려하여 AIST에서는 더 많은 설계 및 프로세스 개발 서비스를 제공하고 대중화한다는 목표로 집적 회로(FPGA, 프로그래밍 가능)가 충족할 수 없는 격차를 메우는 것을 논의하고 있습니다. AIST 측은 “맞춤형 요구사항에 유연하게 대응하고 충족할 수 있다”고 밝혔다.

AIST는 전공정(라인 성형), 본딩 등 공정 개발을 완료했다. 향후 5년의 목표는 패키징 기판을 "하프인치 웨이퍼"에 통합하는 것입니다. 이를 통해 반도체를 더 작은 영역에 패키징하고 전력 소비를 줄이면서 더 많은 애플리케이션 시나리오를 탐색할 수 있습니다.

미니 웨이퍼 팹을 더욱 활성화하기 위해 AIST의 목표는 '하프인치 웨이퍼' 생산량을 확대해 50,000년 후 연간 XNUMX개 생산을 달성하는 것입니다. 앞으로는 자체 생산기지를 확보하는 것뿐만 아니라 자체 생산도 진행할 계획이다. 구라무라 대표는 “진흥기관에 참여하는 기업에게 미니웨이퍼 팹은 하나의 선택일 뿐”이라며 “이 생산 모델을 추진하기 위해 리더의 역할을 최대한 활용하겠다”고 말했다.

반도체 산업의 화두는 늘 '대량생산, 대량소비'였지만, 미니웨이퍼팹은 필요할 때 고객에게 필요한 물량을 공급할 수 있다. 그러나 다른 한편으로는 고객 기반을 더 깊이 파고들어 다양한 요구 사항을 갖춘 고객 기반을 육성해야 하는 과제에도 직면해 있습니다. 동시에 AIST는 많은 고객들에게 반도체 생산 및 설계 서비스를 제공하기 위한 기술 개발에도 힘쓰고 있다.