Semikonduktor Jepun: Fabrik Wafer Mini （Bahagian II）

"Mini Wafer Fab" Membantu Jepun Mendapat Semula Kemuncaknya?

Walaupun Jepun sedang membina fabrikasi semikonduktor 2-nanometer dan bekerjasama dengan TSMC untuk membina fabrikasi di Jepun, ini tidak dilihat sebagai strategi yang berkesan oleh ramai. Bagi industri semikonduktor Jepun, pembangunan produk siap (semikonduktor) boleh dicapai dengan memanfaatkan sepenuhnya kekuatan peralatan dan bahan. Kuasa yang boleh memikul tugas besar ini datang daripada "fabrikasi wafer mini".

Secara amnya dipercayai bahawa pengeluaran semikonduktor memerlukan pelaburan yang besar. Di satu pihak, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) dan perniagaan faundri semikonduktor syarikat lain sedang berkembang pesat dalam industri; sebaliknya, permintaan yang semakin meningkat telah menyebabkan masa penghantaran semikonduktor yang semakin lama. Bagi menyelesaikan masalah masa penghantaran yang panjang dan kelajuan tindak balas yang perlahan dalam industri semikonduktor, Institut Sains dan Teknologi Industri Termaju Kebangsaan (AIST) telah membangunkan "fabrik wafer mini" sejak tahun 2008. "Fabrik wafer mini" dicirikan oleh keupayaan untuk menghasilkan kuantiti yang kecil dan pelbagai jenis semikonduktor, membawa trend baharu kepada industri pengeluaran semikonduktor.

Fab wafer mini secara tradisinya hanya digunakan untuk prototaip, tetapi untuk menggunakannya dengan cepat pada pengeluaran besar-besaran, penyelidik AIST menubuhkan "Syarikat Seratus Semikonduktor" pada Disember 2022 (terletak di Bandar Kashiwa, Wilayah Chiba, Jepun). Nama syarikat mengandungi makna "menyediakan pelanggan dengan pelbagai jenis semikonduktor". Pengarah wakilnya, Encik Fumihito Kuramura, berkata, "Kami merancang untuk mencipta dunia di mana sesiapa sahaja boleh mereka bentuk dan menghasilkan semikonduktor."

Salah satu kelebihan fab wafer mini ialah keupayaan untuk menghasilkan sebarang bilangan semikonduktor, walaupun hanya satu. Tidak seperti pengeluaran besar-besaran, kelebihannya terletak pada pengeluaran kuantiti yang kecil dan pelbagai jenis.

Fab wafer mini tidak menggunakan wafer bersaiz besar tradisional, sebaliknya membuat litar pada "Wafer Setengah Inch" dengan diameter 12.5 cm. Saiz peralatan pengeluaran ialah 30cm (lebar) * 144cm (tinggi) * 45cm (kedalaman), dan ia boleh melakukan banyak proses seperti pendedahan. Ia juga boleh digunakan bersama dengan peralatan "Mega Fab (mega wafer fab)". Oleh kerana saiz peralatan yang digunakan dalam setiap proses adalah serupa, robot boleh digunakan untuk mengangkut wafer antara peralatan.

Selain itu, fab wafer mini juga menampilkan "Mini Shuttle" yang boleh mengelak "Wafer Setengah Inch", menghapuskan keperluan untuk bilik bersih. Walaupun sukar untuk digunakan untuk pengeluaran semikonduktor ultra-maju, terdapat banyak kapasiti untuk menghasilkan produk seperti penderia dan sistem mikro-elektromekanikal (MEMS).

Salah satu kelebihan fab wafer mini ialah ia dapat mengurangkan pelaburan peralatan. Secara umum, fabrik wafer mega memerlukan pelaburan berpuluh bilion yen (atau lebih tinggi) dalam peralatan. Sebaliknya, sasaran pelaburan untuk fab wafer mini ialah 1/100 hingga 1/1000 daripada itu. Oleh kerana saiz semua jenis peralatan agak kecil, ia tidak memerlukan tanah kilang berskala besar, dan juga tidak memerlukan "photomasks" yang digunakan untuk membentuk garisan, jadi perbezaan kos berbanding fab wafer mega adalah besar.

Di samping itu, kitaran penghantaran fabrik wafer mini adalah sangat singkat. Untuk pengeluaran semikonduktor berskala besar, masa dari pengeluaran kepada penghantaran adalah sangat panjang; fab wafer mini menggunakan mod "Just In Time" untuk menghasilkan jumlah yang diperlukan pada masa yang diperlukan.

Ciri-ciri di atas dijangka memainkan peranan dalam pengeluaran kuantiti yang kecil dan pelbagai jenis semikonduktor ke arah IoT (Internet of Things). Wakil Pengarah Kuramura berkata, "Oleh kerana jumlah pesanan pelanggan adalah kecil, kami boleh mengendalikan pesanan kecil yang tidak dapat dikendalikan oleh Foundries."

Sejak melancarkan projek pada tahun 2008, AIST telah membangunkan peralatan pengeluaran dan "Wafer Setengah Inch". Pada masa yang sama, untuk mempromosikan fabrik wafer mini secepat mungkin, AIST menubuhkan "agensi promosi fabrik wafer mini" di Bandar Tsukuba, Prefektur Ibaraki, Jepun pada 2017, tetapi kemajuannya perlahan kerana mereka tidak dapat mencari pemain yang boleh menggunakan fabrik wafer mini dengan mahir. Wakil Pengarah Kuramura berkata, "Kami telah mengkomersialkan peralatan pengeluaran dan Wafer Setengah Inch lebih awal, tetapi kami tidak menemui orang dan syarikat berbakat yang boleh menggunakan fabrik wafer mini dengan cekap."

Untuk terus mempromosikan fab wafer mini, Syarikat Hundred Semiconductors memfokuskan pada prototaip dan pesanan semikonduktor yang tidak dapat ditampung oleh fab wafer mega. Fab wafer mini sedang berusaha untuk menyelesaikan isu langkah demi langkah, seperti membuat keputusan perniagaan yang rumit (seperti meramalkan permintaan pelanggan dengan tepat dan menilai kebolehlaksanaan pelaburan) dan beralih daripada prototaip kepada pengeluaran besar-besaran. Dengan menerima tempahan yang tidak dapat diserap oleh fab wafer mega, mereka akan terus mempromosikan fab wafer mini.

Hari ini, Syarikat Hundred Semiconductors sedang giat mempromosikan reka bentuk semikonduktor, prototaip dan aktiviti pengeluaran besar-besaran. Matlamatnya adalah untuk berkongsi pengalaman dengan pelanggan bagi mencapai matlamat mempopularkan teknologi pengeluaran. Pada masa yang sama, mereka akan terus meningkatkan kelajuan penambahbaikan prototaip untuk bergerak pantas ke arah pengeluaran besar-besaran.

Selain itu, AIST juga mempromosikan pembangunan perisian reka bentuk yang boleh digunakan untuk fabrik wafer mini. Matlamatnya adalah untuk membangunkan PDK (Kit Reka Bentuk Proses) untuk semikonduktor oksida logam pelengkap (CMOS) dalam tempoh setahun. Selain itu, untuk memudahkan penggunaannya, mereka sedang mempertimbangkan untuk menyeragamkan reka bentuk garis asas dan mengutamakan penggunaannya dalam R&D. Pada masa hadapan, prototaip akan dijalankan di Pusat Bandar Tepi Laut AIST (Koto-ku, Tokyo) dan Pusat Tsukuba (Bandar Tsukuba, Prefektur Ibaraki).

Di samping itu, AIST sedang meneroka aplikasi baharu. Sebagai contoh, mempertimbangkan isu penggunaan kuasa, AIST sedang membincangkan mengisi jurang yang tidak dapat dipenuhi oleh litar bersepadu (FPGA, boleh diprogramkan), dengan matlamat untuk menyediakan dan mempopularkan lebih banyak perkhidmatan pembangunan reka bentuk dan proses. AIST berkata, "Kami boleh bertindak balas secara fleksibel dan memenuhi keperluan tersuai."

AIST telah menyelesaikan pembangunan proses bahagian hadapan (garisan membentuk), ikatan dan proses lain. Matlamat untuk lima tahun akan datang adalah untuk menyepadukan substrat pembungkusan ke "Wafer Setengah Inch". Ini akan membolehkan semikonduktor dibungkus di kawasan yang lebih kecil dan mengurangkan penggunaan kuasa sambil meneroka lebih banyak senario aplikasi.

Untuk terus mempromosikan fabrik wafer mini, matlamat AIST adalah untuk mengembangkan volum pengeluaran "Wafer Setengah Inch" untuk mencapai pengeluaran tahunan sebanyak 50,000 keping selepas lima tahun. Pada masa hadapan, mereka bukan sahaja merancang untuk mempunyai pangkalan pengeluaran sendiri tetapi juga untuk menjalankan pengeluaran sendiri. Wakil Pengarah Kuramura menegaskan, "Bagi syarikat yang mengambil bahagian dalam agensi promosi, fabrik wafer mini hanyalah satu pilihan untuk mereka. Kami akan memanfaatkan sepenuhnya peranan pemimpin untuk mempromosikan model pengeluaran ini."

Tema utama industri semikonduktor sentiasa "pengeluaran besar-besaran, penggunaan besar-besaran", tetapi fab wafer mini boleh menyediakan pelanggan dengan kuantiti yang diperlukan apabila perlu. Walau bagaimanapun, sebaliknya, ia juga menghadapi cabaran untuk menggali lebih dalam pangkalan pelanggan dan memupuk asas pelanggan dengan pelbagai keperluan. Pada masa yang sama, AIST juga bekerja keras untuk membangunkan teknologi untuk menyediakan perkhidmatan pengeluaran dan reka bentuk semikonduktor untuk ramai pelanggan.