"Mini Wafer Fab" helpt Japan zijn piek terug te winnen?

Hoewel Japan momenteel een halfgeleiderfabriek van 2 nanometer bouwt en samenwerkt met TSMC om fabrieken in Japan te bouwen, wordt dit door velen niet als een effectieve strategie gezien. Voor de Japanse halfgeleiderindustrie kan de ontwikkeling van eindproducten (halfgeleiders) worden bereikt door de sterkten van apparatuur en materialen volledig te benutten. De kracht die deze enorme taak op zich kan nemen, komt van "mini wafer fabs".

Algemeen wordt aangenomen dat de productie van halfgeleiders enorme investeringen vergt. Enerzijds ontwikkelen de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en de halfgeleidergieterijen van andere bedrijven zich snel in de sector; aan de andere kant heeft de steeds toenemende vraag geleid tot steeds langere levertijden van halfgeleiders. Om het probleem van lange levertijden en trage reactiesnelheid in de halfgeleiderindustrie op te lossen, ontwikkelt het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) sinds 2008 "mini wafer fabs". "Mini wafer fabs" worden gekenmerkt door het vermogen om kleine hoeveelheden en meerdere soorten halfgeleiders te produceren, waardoor nieuwe trends in de halfgeleiderproductie-industrie ontstaan.

Miniwaferfabrieken worden traditioneel alleen gebruikt voor prototyping, maar om ze snel toe te passen op massaproductie, hebben de onderzoekers van AIST in december 2022 "Hundred Semiconductors Company" opgericht (gevestigd in Kashiwa City, Chiba Prefecture, Japan). De bedrijfsnaam bevat de betekenis van "klanten voorzien van meerdere soorten halfgeleiders". De vertegenwoordigend directeur, de heer Fumihito Kuramura, zei: "We zijn van plan een wereld te creëren waarin iedereen halfgeleiders kan ontwerpen en produceren."

Een van de voordelen van miniwafelfabrieken is de mogelijkheid om een willekeurig aantal halfgeleiders te produceren, zelfs maar één. In tegenstelling tot massaproductie ligt het voordeel in de productie van kleine hoeveelheden en meerdere variëteiten.

Miniwafelfabrieken gebruiken geen traditionele wafels van groot formaat, maar maken in plaats daarvan circuits op "Half Inch Wafers" met een diameter van 12.5 cm. De grootte van de productieapparatuur is 30 cm (breedte) * 144 cm (hoogte) * 45 cm (diepte) en kan vele processen uitvoeren, zoals belichting. Het kan ook worden gebruikt in combinatie met de apparatuur van "Mega Fab (mega wafer fab)". Omdat de grootte van de apparatuur die in elk proces wordt gebruikt vergelijkbaar is, kunnen robots worden gebruikt om wafers tussen apparatuur te transporteren.

Bovendien beschikken mini-wafelfabrieken ook over een "Mini Shuttle" die "Half Inch Wafers" kan afdichten, waardoor er geen schone kamers nodig zijn. Hoewel het moeilijk toepasbaar is op de productie van ultrageavanceerde halfgeleiders, is er voldoende capaciteit om producten zoals sensoren en micro-elektromechanische systemen (MEMS) te produceren.

Een van de voordelen van miniwafelfabrieken is dat ze de investeringen in apparatuur kunnen verminderen. Over het algemeen vereisen megawafelfabrieken investeringen van tientallen miljarden yen (of zelfs meer) in apparatuur. Aan de andere kant is de investeringsdoelstelling voor miniwafelfabrieken 1/100 tot 1/1000 daarvan. Omdat de omvang van allerlei soorten apparatuur relatief klein is, is er geen grootschalige fabrieksgrond nodig, noch zijn er "fotomaskers" nodig die worden gebruikt om lijnen te vormen, dus het kostenverschil vergeleken met megawafelfabrieken is enorm.

Bovendien is de leveringscyclus van miniwafelfabrieken extreem kort. Voor grootschalige halfgeleiderproductie is de tijd tussen productie en levering extreem lang; miniwafelfabrieken hanteren een "Just In Time"-modus om de benodigde hoeveelheid op het noodzakelijke tijdstip te produceren.

De bovenstaande kenmerken zullen naar verwachting een rol spelen bij de productie van kleine hoeveelheden en meerdere varianten van halfgeleiders in de richting van IoT (Internet of Things). Representatief directeur Kuramura zei: "Omdat het ordervolume van klanten klein is, kunnen we kleine bestellingen verwerken die Foundries niet aankunnen."

Sinds de lancering van het project in 2008 heeft AIST productieapparatuur en "Half Inch Wafers" ontwikkeld. Tegelijkertijd richtte AIST, om mini-wafelfabrieken zo snel mogelijk te promoten, in 2017 een "miniwaferfabriek-promotiebureau" op in Tsukuba City, prefectuur Ibaraki, Japan, maar de vooruitgang verliep traag omdat ze geen spelers konden vinden die zou vakkundig mini-wafelfabrieken kunnen gebruiken. Representatief directeur Kuramura zei: "We hebben de productieapparatuur en Half Inch Wafer al vroeg op de markt gebracht, maar we hebben geen getalenteerde mensen en bedrijven gevonden die mini-wafelfabrieken vakkundig kunnen gebruiken."

Om mini-waferfabrieken verder te promoten, concentreert Hundred Semiconductors Company zich op halfgeleiderprototypes en bestellingen die megawafelfabrieken niet kunnen verwerken. Miniwaferfabrieken werken stap voor stap aan het oplossen van problemen, zoals het nemen van complexe zakelijke beslissingen (zoals het nauwkeurig voorspellen van de klantvraag en het beoordelen van de haalbaarheid van investeringen) en de overstap van prototyping naar massaproductie. Door bestellingen te accepteren die megawafelfabrieken niet kunnen absorberen, zullen ze miniwafelfabrieken verder promoten.

Tegenwoordig promoot Hundred Semiconductors Company actief halfgeleiderontwerp, prototyping en massaproductieactiviteiten. Het doel is om ervaringen met klanten te delen om het doel van het populariseren van productietechnologie te bereiken. Tegelijkertijd zullen ze de snelheid van verbetering van prototypes blijven verbeteren om snel over te gaan naar massaproductie.

Daarnaast promoot AIST ook de ontwikkeling van ontwerpsoftware die kan worden gebruikt voor mini-wafelfabrieken. Het doel is om binnen een jaar een PDK (Process Design Kit) voor complementaire metaaloxide halfgeleiders (CMOS) te ontwikkelen. Om het gebruik ervan eenvoudiger te maken, overwegen ze bovendien de basislijnontwerpen te standaardiseren en prioriteit te geven aan de toepassing ervan in R&D. In de toekomst zullen prototypes worden uitgevoerd in het AIST Seaside Urban Centre (Koto-ku, Tokio) en het Tsukuba Center (Tsukuba City, prefectuur Ibaraki).

Daarnaast onderzoekt AIST nieuwe toepassingen. Met het oog op de kwestie van het stroomverbruik bespreekt AIST bijvoorbeeld het opvullen van de leemte die geïntegreerde schakelingen (FPGA, programmeerbaar) niet kunnen opvullen, met als doel meer ontwerp- en procesontwikkelingsdiensten aan te bieden en te populariseren. AIST zei: "We kunnen flexibel reageren op en voldoen aan aangepaste vereisten."

AIST heeft de ontwikkeling van front-endprocessen (lijnen vormen), bonding en andere processen voltooid. Het doel voor de komende vijf jaar is om verpakkingssubstraten te integreren op "Half Inch Wafers". Hierdoor kunnen halfgeleiders in kleinere gebieden worden verpakt en het energieverbruik worden verminderd, terwijl meer toepassingsscenario's worden onderzocht.

Om mini-wafelfabrieken verder te promoten, is het doel van AIST om het productievolume van "Half Inch Wafers" uit te breiden om na vijf jaar een jaarlijkse productie van 50,000 stuks te bereiken. In de toekomst zijn ze niet alleen van plan om over een eigen productiebasis te beschikken, maar ook om de productie zelf uit te voeren. Representatief directeur Kuramura merkte op: "Voor bedrijven die deelnemen aan het promotiebureau zijn miniwafelfabrieken slechts één optie. We zullen de rol van leiders ten volle benutten om dit productiemodel te promoten."

Het hoofdthema van de halfgeleiderindustrie is altijd "massaproductie, massaconsumptie" geweest, maar miniwafelfabrieken kunnen klanten indien nodig van de benodigde hoeveelheid voorzien. Aan de andere kant staat het echter ook voor de uitdaging om dieper in het klantenbestand te graven en een klantenbestand met meerdere behoeften op te bouwen. Tegelijkertijd werkt AIST ook hard aan de ontwikkeling van technologie om voor veel klanten halfgeleiderproductie- en ontwerpdiensten te kunnen leveren.