日本半导体：微型晶圆厂（下）

“迷你晶圆厂”助日本重拾巅峰？

尽管日本目前正在建设一座2纳米半导体晶圆厂，并与台积电合作在日本建厂，但许多人认为这并非有效的策略。对于日本半导体产业而言，充分发挥设备和材料优势才能实现成品（半导体）的开发。而能够承担这项艰巨任务的力量，则来自于“微型晶圆厂”。

人们普遍认为半导体生产需要巨额投资。一方面，台积电（TSMC）等公司的半导体代工业务在行业内发展迅猛；另一方面，不断增长的需求导致半导体交货周期越来越长。为了解决半导体行业交货周期长、响应速度慢的问题，日本产业技术综合研究所（AIST）自2008年起开始研发“微型晶圆厂”。“微型晶圆厂”的特点是能够生产小批量、多品种的半导体产品，为半导体生产行业带来了新的发展趋势。

迷你晶圆厂传统上仅用于原型设计，但为了快速将其应用于量产，AIST的研究人员于2022年XNUMX月成立了“百半导体公司”（位于日本千叶县柏市）。公司名称含有“为客户提供多种类型半导体”的含义。其代表董事仓村文仁先生表示：“我们计划创造一个任何人都可以设计和生产半导体的世界。”

小型晶圆厂的优势之一是能够生产任意数量的半导体，甚至只生产一种。与大批量生产不同，其优势在于生产小批量、多品种。

迷你晶圆厂不使用传统的大尺寸晶圆，而是在直径为12.5厘米的“半英寸晶圆”上制作电路。生产设备尺寸为30cm（宽）*144cm（高）*45cm（深），可以进行曝光等多种工序。也可与“Mega Fab（巨型晶圆厂）”的设备配合使用。由于每个工艺所使用的设备尺寸相似，因此可以使用机器人在设备之间运输晶圆。

此外，迷你晶圆厂还配备了“迷你梭”，可以密封“半英寸晶圆”，从而无需洁净室。虽然很难应用于超先进半导体的生产，但有足够的能力来生产传感器和微机电系统（MEMS）等产品。

迷你晶圆厂的优势之一是可以减少设备投资。一般来说，大型晶圆厂需要数百亿日元（甚至更高）的设备投资。另一方面，微型晶圆厂的投资目标是其中的1/100至1/1000。由于各类设备的尺寸都比较小，不需要大规模的工厂用地，也不需要用于形成线路的“光掩模”，因此与巨型晶圆厂相比成本差异巨大。

此外，微型晶圆厂的交付周期极短。对于大规模半导体生产来说，从生产到交付的时间极其漫长；小型晶圆厂采用“Just In Time”模式，在必要的时间生产必要的数量。

上述特性有望在IoT（物联网）方向的小批量、多品种半导体生产中发挥作用。代表董事Kuramura表示，“由于客户订单量较小，我们可以处理Foundries无法处理的小订单。”

自2008年启动该项目以来，AIST一直在开发生产设备和“半英寸晶圆”。与此同时，为了尽快推动微型晶圆厂，AIST于2017年在日本茨城县筑波市成立了“微型晶圆厂推进机构”，但由于找不到合适的参与者，进展缓慢。能熟练使用小型晶圆厂。仓村代表表示：“我们很早就实现了生产设备和半英寸晶圆的商业化，但我们还没有找到能够熟练使用微型晶圆厂的人才和公司。”

为了进一步推广小型晶圆厂，百家半导体公司将重点放在大型晶圆厂无法满足的半导体原型和订单上。微型晶圆厂正致力于逐步解决问题，例如做出复杂的业务决策（例如准确预测客户需求并判断投资的可行性）以及从原型设计转向大规模生产。通过接受大型晶圆厂无法吸收的订单，他们将进一步推动小型晶圆厂的发展。

如今，百家半导体公司正在积极推动半导体设计、原型设计和量产活动。目的是与客户分享经验，以达到普及生产技术的目的。同时，他们将不断提高原型机的改进速度，以快速走向量产。

此外，AIST还正在推动可用于小型晶圆厂的设计软件的开发。其目标是在一年内开发出用于互补金属氧化物半导体（CMOS）的PDK（工艺设计套件）。此外，为了使其更易于使用，他们正在考虑标准化基本生产线设计并优先在研发中应用。今后，原型制作将在AIST海滨城市中心（东京都江东区）和筑波中心（茨城县筑波市）进行。

此外，AIST 正在探索新的应用。例如，考虑到功耗问题，AIST正在讨论填补集成电路（FPGA、可编程）无法满足的空白，目标是提供和普及更多的设计和工艺开发服务。 AIST表示：“我们可以灵活应对并满足定制要求。”

产业技术研究所已完成前段工艺（成形线）、接合等工艺的开发。未来五年的目标是将封装基板集成到“半英寸晶圆”上。这将使半导体能够封装在更小的面积内，降低功耗，同时探索更多的应用场景。

为了进一步推进微型晶圆厂，产学研的目标是在五年后扩大“半英寸晶圆”的产量，实现年产50,000万片。未来，他们不仅计划拥有自己的生产基地，还计划自行进行生产。仓村代表指出，“对于参与推广机构的企业来说，微型晶圆厂只是他们的一种选择。我们将充分发挥领导者的作用来推广这种生产模式。”

半导体行业的主旋律一直是“大量生产、大量消费”，但微型晶圆厂可以在必要时为客户提供所需的数量。但另一方面，也面临着深挖客户群、培育多元需求客户群的挑战。同时，AIST也在努力开发技术，为众多客户提供半导体生产和设计服务。