Chất bán dẫn của Nhật Bản: Nhà máy sản xuất wafer nhỏ (Phần II)

"Mini wafer Fab" giúp Nhật Bản lấy lại đỉnh cao?

Mặc dù Nhật Bản hiện đang xây dựng nhà máy bán dẫn 2 nanomet và hợp tác với TSMC để xây dựng nhà máy ở Nhật Bản, nhưng nhiều người coi đây không phải là một chiến lược hiệu quả. Đối với ngành bán dẫn Nhật Bản, việc phát triển thành phẩm (chất bán dẫn) có thể đạt được bằng cách tận dụng triệt để thế mạnh về thiết bị và vật liệu. Sức mạnh có thể đảm nhận nhiệm vụ to lớn này đến từ "nhà máy sản xuất bánh bán dẫn mini".

Người ta thường tin rằng sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi đầu tư lớn. Một mặt, Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) và hoạt động kinh doanh đúc bán dẫn của các công ty khác đang phát triển nhanh chóng trong ngành; mặt khác, nhu cầu ngày càng tăng đã dẫn đến thời gian phân phối chất bán dẫn ngày càng dài hơn. Để giải quyết vấn đề về thời gian giao hàng lâu và tốc độ phản hồi chậm trong ngành bán dẫn, Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) đã phát triển "nhà máy sản xuất tấm wafer mini" từ năm 2008. "Nhà sản xuất wafer mini" được đặc trưng bởi khả năng sản xuất số lượng nhỏ và nhiều loại chất bán dẫn, mang lại xu hướng mới cho ngành sản xuất chất bán dẫn.

Các nhà máy wafer mini theo truyền thống chỉ được sử dụng để tạo nguyên mẫu, nhưng để nhanh chóng áp dụng chúng vào sản xuất hàng loạt, các nhà nghiên cứu của AIST đã thành lập "Công ty Trăm Chất bán dẫn" vào tháng 2022 năm XNUMX (đặt tại Thành phố Kashiwa, Tỉnh Chiba, Nhật Bản). Tên công ty mang ý nghĩa "cung cấp cho khách hàng nhiều loại chất bán dẫn". Giám đốc đại diện của nó, ông Fumihito Kuramura, cho biết: “Chúng tôi có kế hoạch tạo ra một thế giới nơi bất kỳ ai cũng có thể thiết kế và sản xuất chất bán dẫn”.

Một trong những lợi thế của nhà máy bán dẫn mini là khả năng sản xuất bất kỳ số lượng chất bán dẫn nào, thậm chí chỉ một chất bán dẫn. Không giống như sản xuất hàng loạt, lợi thế của nó nằm ở việc sản xuất số lượng nhỏ và nhiều chủng loại.

Nhà sản xuất wafer mini không sử dụng các wafer cỡ lớn truyền thống mà thay vào đó chế tạo các mạch trên "Tấm wafer nửa inch" với đường kính 12.5 cm. Kích thước của thiết bị sản xuất là 30cm (rộng) * 144cm (cao) * 45cm (sâu) và nó có thể thực hiện nhiều quy trình như phơi sáng. Nó cũng có thể được sử dụng cùng với thiết bị của "Mega Fab (mega wafer fab)". Vì kích thước của thiết bị được sử dụng trong mỗi quy trình là tương tự nhau nên robot có thể được sử dụng để vận chuyển các tấm bán dẫn giữa các thiết bị.

Ngoài ra, các nhà sản xuất tấm bán dẫn mini còn có một "Con thoi nhỏ" có thể bịt kín "Tấm bán dẫn nửa inch", loại bỏ nhu cầu sử dụng phòng sạch. Mặc dù khó áp dụng vào sản xuất chất bán dẫn siêu tiên tiến nhưng vẫn có nhiều khả năng để sản xuất các sản phẩm như cảm biến và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

Một trong những lợi thế của nhà máy sản xuất tấm wafer mini là chúng có thể giảm đầu tư thiết bị. Nhìn chung, các nhà máy sản xuất tấm wafer lớn đòi hỏi khoản đầu tư hàng chục tỷ yên (hoặc thậm chí cao hơn) vào thiết bị. Mặt khác, mục tiêu đầu tư cho nhà máy sản xuất tấm wafer mini là 1/100 đến 1/1000. Bởi vì kích thước của tất cả các loại thiết bị đều tương đối nhỏ, không cần đất nhà xưởng quy mô lớn, cũng không cần "mặt nạ ảnh" dùng để tạo hình dây chuyền, nên chênh lệch chi phí so với các nhà máy sản xuất wafer lớn là rất lớn.

Ngoài ra, chu kỳ phân phối sản phẩm wafer mini cực kỳ ngắn. Đối với sản xuất chất bán dẫn quy mô lớn, thời gian từ khi sản xuất đến khi giao hàng là vô cùng dài; nhà máy sản xuất bánh bán dẫn mini áp dụng chế độ "Just In Time" để sản xuất số lượng cần thiết vào thời điểm cần thiết.

Các đặc điểm trên dự kiến sẽ đóng một vai trò trong việc sản xuất số lượng nhỏ và nhiều loại chất bán dẫn theo hướng IoT (Internet of Things). Giám đốc đại diện Kuramura cho biết: “Vì khối lượng đặt hàng của khách hàng ít nên chúng tôi có thể xử lý được những đơn hàng nhỏ mà các Foundries không thể xử lý được”.

Kể từ khi khởi động dự án vào năm 2008, AIST đã phát triển thiết bị sản xuất và "Tấm wafer nửa inch". Đồng thời, để quảng bá nhà máy sản xuất bánh bán dẫn mini càng sớm càng tốt, AIST đã thành lập "cơ quan quảng bá nhà sản xuất bánh bán dẫn mini" tại Thành phố Tsukuba, tỉnh Ibaraki, Nhật Bản vào năm 2017, nhưng tiến độ rất chậm vì họ không tìm được người chơi. có thể sử dụng thành thạo các tấm wafer mini. Giám đốc đại diện Kuramura cho biết: “Chúng tôi đã sớm thương mại hóa thiết bị sản xuất và Half Inch Wafer, nhưng chúng tôi chưa tìm được những con người và công ty tài năng có thể sử dụng thành thạo các tấm wafer mini”.

Để thúc đẩy hơn nữa các nhà máy sản xuất tấm bán dẫn mini, Hundred Semiconductors Company đang tập trung vào các nguyên mẫu bán dẫn và các đơn đặt hàng mà các nhà máy bán dẫn lớn không thể đáp ứng. Các nhà sản xuất tấm wafer mini đang nỗ lực giải quyết từng bước các vấn đề, chẳng hạn như đưa ra các quyết định kinh doanh phức tạp (chẳng hạn như dự đoán chính xác nhu cầu của khách hàng và đánh giá tính khả thi của khoản đầu tư) và chuyển từ nguyên mẫu sang sản xuất hàng loạt. Bằng cách chấp nhận các đơn đặt hàng mà các nhà máy sản xuất bánh bán dẫn cỡ lớn không thể đáp ứng, họ sẽ tiếp tục quảng bá các nhà sản xuất bánh bán dẫn cỡ nhỏ.

Ngày nay, Hundred Semiconductors Company đang tích cực thúc đẩy các hoạt động thiết kế chất bán dẫn, tạo mẫu và sản xuất hàng loạt. Mục tiêu là chia sẻ kinh nghiệm với khách hàng nhằm đạt được mục tiêu phổ biến công nghệ sản xuất. Đồng thời, họ sẽ tiếp tục nâng cao tốc độ cải tiến nguyên mẫu để nhanh chóng tiến tới sản xuất hàng loạt.

Ngoài ra, AIST cũng đang thúc đẩy phát triển phần mềm thiết kế có thể được sử dụng cho các nhà máy sản xuất tấm bán dẫn mini. Mục tiêu của nó là phát triển PDK (Bộ thiết kế quy trình) cho chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) trong vòng một năm. Ngoài ra, để dễ sử dụng hơn, họ đang xem xét tiêu chuẩn hóa các thiết kế dây chuyền cơ bản và ưu tiên ứng dụng chúng trong R&D. Trong tương lai, việc tạo mẫu sẽ được thực hiện tại Trung tâm đô thị ven biển AIST (Koto-ku, Tokyo) và Trung tâm Tsukuba (Thành phố Tsukuba, tỉnh Ibaraki).

Ngoài ra, AIST đang khám phá các ứng dụng mới. Ví dụ, xem xét vấn đề tiêu thụ điện năng, AIST đang thảo luận về việc lấp đầy khoảng trống mà các mạch tích hợp (FPGA, lập trình) không thể đáp ứng, với mục tiêu cung cấp và phổ biến thêm các dịch vụ thiết kế và phát triển quy trình. AIST cho biết: "Chúng tôi có thể linh hoạt đáp ứng và đáp ứng các yêu cầu tùy chỉnh."

AIST đã hoàn thành việc phát triển các quy trình giao diện người dùng (hình thành đường), liên kết và các quy trình khác. Mục tiêu trong 5 năm tới là tích hợp chất nền đóng gói vào "Tấm wafer nửa inch". Điều này sẽ cho phép chất bán dẫn được đóng gói trong các khu vực nhỏ hơn và giảm mức tiêu thụ điện năng trong khi khám phá nhiều kịch bản ứng dụng hơn.

Để thúc đẩy hơn nữa các nhà sản xuất tấm wafer mini, mục tiêu của AIST là mở rộng khối lượng sản xuất "Tấm wafer nửa inch" để đạt được sản lượng hàng năm là 50,000 chiếc sau XNUMX năm. Trong tương lai, họ không chỉ có kế hoạch thành lập cơ sở sản xuất riêng mà còn có thể tự mình tiến hành sản xuất. Giám đốc đại diện Kuramura chỉ ra: "Đối với các công ty tham gia đại lý xúc tiến, nhà máy sản xuất wafer mini chỉ là một lựa chọn cho họ. Chúng tôi sẽ phát huy tối đa vai trò của người lãnh đạo để thúc đẩy mô hình sản xuất này".

Chủ đề chính của ngành bán dẫn luôn là "sản xuất hàng loạt, tiêu thụ hàng loạt", nhưng các nhà máy bán dẫn mini có thể cung cấp cho khách hàng số lượng cần thiết khi cần thiết. Tuy nhiên, mặt khác, nó cũng phải đối mặt với thách thức trong việc đào sâu hơn vào cơ sở khách hàng và nuôi dưỡng cơ sở khách hàng có nhiều nhu cầu. Đồng thời, AIST cũng đang nỗ lực phát triển công nghệ để cung cấp dịch vụ thiết kế và sản xuất chất bán dẫn cho nhiều khách hàng.