"Mini Wafer Fab" ช่วยให้ญี่ปุ่นฟื้นจุดสูงสุดได้หรือไม่?

แม้ว่าปัจจุบันญี่ปุ่นกำลังสร้างโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาด 2 นาโนเมตร และร่วมมือกับ TSMC ในการสร้างโรงงานในญี่ปุ่น แต่หลายคนมองว่านี่ไม่ใช่กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพ สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของญี่ปุ่น การพัฒนาผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป (เซมิคอนดักเตอร์) สามารถทำได้โดยการใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของอุปกรณ์และวัสดุอย่างเต็มที่ พลังที่จะรับมือกับงานขนาดใหญ่เช่นนี้ได้มาจาก "โรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาดเล็ก"

โดยทั่วไปเชื่อกันว่าการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องใช้เงินลงทุนมหาศาล ในด้านหนึ่ง บริษัท Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) และบริษัทอื่นๆ กำลังพัฒนาธุรกิจโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์อย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรม ในอีกด้านหนึ่ง ความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องส่งผลให้ระยะเวลาการส่งมอบเซมิคอนดักเตอร์ยาวนานขึ้นเรื่อยๆ เพื่อแก้ปัญหาเรื่องระยะเวลาการส่งมอบที่ยาวนานและความเร็วในการตอบสนองที่ช้าในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติ (AIST) จึงได้พัฒนา "โรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาดเล็ก" มาตั้งแต่ปี 2008 "โรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาดเล็ก" มีลักษณะเด่นคือสามารถผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้ในปริมาณน้อยและหลากหลายชนิด นำมาซึ่งแนวโน้มใหม่ๆ ในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

โรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาดเล็กมักถูกนำมาใช้สำหรับการสร้างต้นแบบเท่านั้น แต่เพื่อที่จะนำไปใช้กับการผลิตจำนวนมากอย่างรวดเร็ว นักวิจัยของ AIST ได้ก่อตั้ง "Hundred Semiconductors Company" ในเดือนธันวาคม 2022 (ตั้งอยู่ในเมืองคาชิวะ จังหวัดชิบะ ประเทศญี่ปุ่น) ชื่อบริษัทมีความหมายว่า "การให้บริการลูกค้าด้วยเซมิคอนดักเตอร์หลายประเภท" นายฟูมิฮิโตะ คุรามูระ กรรมการตัวแทนกล่าวว่า "เราวางแผนที่จะสร้างโลกที่ใครๆ ก็สามารถออกแบบและผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้"

ข้อดีประการหนึ่งของโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาดเล็กคือความสามารถในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์จำนวนเท่าใดก็ได้ แม้แต่เพียงชิ้นเดียวก็ตาม ซึ่งแตกต่างจากการผลิตจำนวนมาก ข้อดีของมันอยู่ที่การผลิตในปริมาณน้อยและหลากหลายสายพันธุ์

โรงงานเวเฟอร์ขนาดเล็กไม่ได้ใช้เวเฟอร์ขนาดใหญ่แบบดั้งเดิม แต่สร้างวงจรบน "เวเฟอร์ครึ่งนิ้ว" ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12.5 ซม. แทน ขนาดของอุปกรณ์การผลิตคือ 30 ซม. (กว้าง) * 144 ซม. (สูง) * 45 ซม. (ลึก) และสามารถดำเนินการหลายกระบวนการ เช่น การเปิดรับแสง นอกจากนี้ยังสามารถใช้ร่วมกับอุปกรณ์ของ "Mega Fab (mega wafer fab)" ได้อีกด้วย เนื่องจากขนาดของอุปกรณ์ที่ใช้ในแต่ละกระบวนการจะใกล้เคียงกัน หุ่นยนต์จึงสามารถใช้เพื่อขนส่งเวเฟอร์ระหว่างอุปกรณ์ได้

นอกจากนี้ โรงงานเวเฟอร์ขนาดเล็กยังมี "Mini Shuttle" ที่สามารถปิดผนึก "เวเฟอร์ครึ่งนิ้ว" ได้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ห้องสะอาด แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้กับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงพิเศษ แต่ก็มีกำลังการผลิตมากมายในการผลิตผลิตภัณฑ์ เช่น เซ็นเซอร์ และระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS)

ข้อดีประการหนึ่งของโรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาดเล็กคือสามารถลดการลงทุนในอุปกรณ์ได้ โดยทั่วไป โรงงานเวเฟอร์ขนาดใหญ่ต้องใช้เงินลงทุนนับหมื่นล้านเยน (หรือสูงกว่านั้น) ในอุปกรณ์ ในทางกลับกัน เป้าหมายการลงทุนสำหรับโรงงานผลิตมินิเวเฟอร์คือ 1/100 ถึง 1/1000 เนื่องจากอุปกรณ์ทุกชนิดมีขนาดค่อนข้างเล็ก จึงไม่ต้องใช้ที่ดินในโรงงานขนาดใหญ่ และไม่ต้องใช้ "โฟโต้มาสก์" เพื่อสร้างเส้น ดังนั้นต้นทุนที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่จึงมีขนาดใหญ่มาก

นอกจากนี้ วงจรการจัดส่งของแฟบมินิเวเฟอร์ยังสั้นมาก สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ เวลาตั้งแต่การผลิตจนถึงการส่งมอบนั้นยาวนานมาก โรงงานเวเฟอร์ขนาดเล็กใช้โหมด "ทันเวลาพอดี" ในการผลิตในปริมาณที่จำเป็นในเวลาที่จำเป็น

ลักษณะข้างต้นคาดว่าจะมีบทบาทในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในปริมาณน้อยและหลากหลายประเภทในทิศทางของ IoT (Internet of Things) Kuramura ผู้อำนวยการตัวแทนกล่าวว่า "เนื่องจากปริมาณการสั่งซื้อของลูกค้ามีน้อย เราจึงสามารถจัดการกับคำสั่งซื้อขนาดเล็กที่ Foundries ไม่สามารถจัดการได้"

นับตั้งแต่เปิดตัวโครงการในปี 2008 AIST ก็ได้พัฒนาอุปกรณ์การผลิตและ "เวเฟอร์ครึ่งนิ้ว" ในเวลาเดียวกัน เพื่อโปรโมตผลิตภัณฑ์มินิเวเฟอร์โดยเร็วที่สุด AIST ได้ก่อตั้ง "หน่วยงานส่งเสริมการขายผลิตภัณฑ์มินิเวเฟอร์" ในเมืองสึคุบะ จังหวัดอิบารากิ ประเทศญี่ปุ่น ในปี 2017 แต่ความคืบหน้าช้าเนื่องจากไม่สามารถหาผู้เล่นที่ สามารถใช้มินิเวเฟอร์ fabs ได้อย่างเชี่ยวชาญ กรรมการตัวแทนคุรามูระกล่าวว่า "เราได้จำหน่ายอุปกรณ์การผลิตและเวเฟอร์ขนาด Half Inch เชิงพาณิชย์ตั้งแต่เนิ่นๆ แต่เรายังไม่พบบุคลากรและบริษัทที่มีพรสวรรค์ที่สามารถใช้ผลิตภัณฑ์มินิเวเฟอร์ได้อย่างเชี่ยวชาญ"

เพื่อส่งเสริมการผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาดเล็ก บริษัท Hundred Semiconductors Company จึงมุ่งเน้นไปที่ต้นแบบของเซมิคอนดักเตอร์และคำสั่งซื้อที่โรงงานแผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่ไม่สามารถรองรับได้ โรงงานเวเฟอร์ขนาดเล็กกำลังทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาทีละขั้นตอน เช่น การตัดสินใจทางธุรกิจที่ซับซ้อน (เช่น การคาดการณ์ความต้องการของลูกค้าอย่างแม่นยำ และการตัดสินความเป็นไปได้ในการลงทุน) และการย้ายจากการสร้างต้นแบบไปสู่การผลิตจำนวนมาก การยอมรับคำสั่งซื้อที่โรงงานแผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่ไม่สามารถดูดซับได้ พวกเขาจะส่งเสริมโรงงานแผ่นเวเฟอร์ขนาดเล็กต่อไป

ปัจจุบัน Hundred Semiconductors Company กำลังส่งเสริมกิจกรรมการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ การสร้างต้นแบบ และกิจกรรมการผลิตจำนวนมาก เป้าหมายคือการแบ่งปันประสบการณ์กับลูกค้าเพื่อให้บรรลุเป้าหมายในการเผยแพร่เทคโนโลยีการผลิต ในเวลาเดียวกัน พวกเขาจะยังคงปรับปรุงความเร็วของการปรับปรุงต้นแบบอย่างต่อเนื่องเพื่อก้าวไปสู่การผลิตจำนวนมากอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ AIST ยังส่งเสริมการพัฒนาซอฟต์แวร์การออกแบบที่สามารถใช้กับโรงงานมินิเวเฟอร์ได้ เป้าหมายคือการพัฒนา PDK (Process Design Kit) สำหรับเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) ภายในหนึ่งปี นอกจากนี้ เพื่อให้ใช้งานง่ายขึ้น พวกเขากำลังพิจารณาสร้างมาตรฐานการออกแบบเส้นพื้นฐานและจัดลำดับความสำคัญในการใช้งานใน R&D ในอนาคต การสร้างต้นแบบจะดำเนินการที่ AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokyo) และ Tsukuba Center (เมือง Tsukuba จังหวัด Ibaraki)

นอกจากนี้ AIST กำลังสำรวจแอปพลิเคชันใหม่ๆ ตัวอย่างเช่น เมื่อพิจารณาถึงปัญหาเรื่องการใช้พลังงาน AIST กำลังหารือเรื่องการเติมเต็มช่องว่างที่วงจรรวม (FPGA ตั้งโปรแกรมได้) ไม่สามารถตอบสนองได้ โดยมีเป้าหมายในการให้บริการและเผยแพร่บริการการออกแบบและการพัฒนากระบวนการให้มากขึ้น AIST กล่าวว่า "เราสามารถตอบสนองและตอบสนองความต้องการที่กำหนดเองได้อย่างยืดหยุ่น"

AIST เสร็จสิ้นการพัฒนากระบวนการส่วนหน้า (เส้นขึ้นรูป) การเชื่อม และกระบวนการอื่นๆ เป้าหมายในอีกห้าปีข้างหน้าคือการผสานรวมซับสเตรตของบรรจุภัณฑ์เข้ากับ "เวเฟอร์ครึ่งนิ้ว" สิ่งนี้จะช่วยให้เซมิคอนดักเตอร์สามารถบรรจุในพื้นที่ขนาดเล็กและลดการใช้พลังงานในขณะที่สำรวจสถานการณ์การใช้งานเพิ่มเติม

เพื่อส่งเสริมผลิตภัณฑ์เวเฟอร์ขนาดเล็ก เป้าหมายของ AIST คือการขยายปริมาณการผลิต "เวเฟอร์ครึ่งนิ้ว" เพื่อให้สามารถผลิตได้ 50,000 ชิ้นต่อปีหลังจากผ่านไปห้าปี ในอนาคตพวกเขาไม่เพียงแต่วางแผนที่จะมีฐานการผลิตของตนเองเท่านั้น แต่ยังมีแผนการผลิตด้วยตนเองอีกด้วย กรรมการตัวแทน Kuramura ชี้ให้เห็นว่า "สำหรับบริษัทที่เข้าร่วมในหน่วยงานส่งเสริมการขาย โรงงานเวเฟอร์ขนาดเล็กเป็นเพียงทางเลือกหนึ่งสำหรับพวกเขา เราจะใช้ประโยชน์จากบทบาทของผู้นำอย่างเต็มที่เพื่อส่งเสริมรูปแบบการผลิตนี้"

ธีมหลักของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์คือ "การผลิตจำนวนมาก การบริโภคจำนวนมาก" มาโดยตลอด แต่โรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาดเล็กสามารถจัดหาปริมาณที่ต้องการให้กับลูกค้าได้เมื่อจำเป็น อย่างไรก็ตาม ในทางกลับกัน ยังต้องเผชิญกับความท้าทายในการเจาะลึกฐานลูกค้าและสร้างฐานลูกค้าที่มีความต้องการที่หลากหลาย ในเวลาเดียวกัน AIST ยังทำงานอย่างหนักเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อให้บริการด้านการผลิตและการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์แก่ลูกค้าจำนวนมาก