迷你晶圓廠將顛覆全球半導體業界的製造係統

    台積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB)，每個月可生產超過10 萬片12 寸晶圓，每座造價高達3 千億新台幣(約合610億人民幣)。但今年4 月1 日，日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab)，瞄準物聯網時代小量、多樣的感測器需求，起價卻隻要 5 億日元(0.3 億元人民幣)。有媒體稱之為：“顛覆全球半導體業界的製造係統”。

 

    這個由經濟產業省主導，由140 間日本企業、團體聯合開發的新世代製造係統，目標是透過成本與技術門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產所需的半導體及感應器。形同推翻台積電董事長張忠謀 30 年前所創的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產半導體的垂直整合時代。

 

    販賣這種生產係統的，是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每台外型流線、美觀的製造機台，大小約與飲料自動販賣機差不多，但各自具備洗淨、加熱、曝光等功能。每一台機器，都相當於一條半導體製造的生產線。一條“迷你晶圓廠”產線，所需的最小麵積是大約是兩個網球場的大小。也僅是一座12 寸晶圓廠的百分之一麵積。

 

    “迷你晶圓廠”能夠做到如此廉價、體積小，首先是挑戰業界常識的創新做法──不需要無塵室。

 

    半導體芯片上如果沾有超過0.1 微米的灰塵就算是不良品，為此，製造室內一定要保持超高潔淨度。維持無塵室需要大量的電力，因此不隻投資金額很高、維持費用也相當驚人。所以半導體不大量生產的話，很難獲利。

 

    產業技術總合研究所的原史朗挑戰了這項業界的常識。“半導體工廠真的需要無塵室嗎?明明需要隔絕灰塵的隻有晶圓而已。”抱持著這項疑問，原史朗從 1990 年代開始構想“迷你晶圓廠”。

 

    幾年後，原史朗終於開發出局部無塵化的關鍵技術，並將此成果製出特殊運輸係統“Minimal Shuttle”。利用電磁鐵控製開關，幾乎不會有灰塵進入。

 

    “迷你晶圓廠”的另一個特點，是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。Minimal Fab 的概念，就是那樣的時代十分需要的多種少量生產係統。要處理的晶圓大約直徑0.5 英寸，比1 日元硬幣還要小。因為晶圓很小，所以生產設備也要跟著變小。

 

    芯片從晶圓上切割下來，大約1 平方公分大小。“迷你晶圓廠”的年產量大約是50 萬個，一般的12 寸晶圓廠則是兩億個。如果隻生產1 萬個，市麵上每一芯片要收1 萬日元，但“迷你晶圓廠”隻要收1，200 日元。

 

    這項“迷你晶圓廠”的研發計劃，源自2010 年。從2012 年開始的3 年內，獲得經濟產業省的預算，計劃也隨之通過。現在包含許多製造大廠在內，共140 間企業團體參與。雖然是由橫河解決方案在銷售，可是參與開發製造的日本中小企業大約有30 間，這也是該設備的一大特色之一。

 

    目前“迷你晶圓廠”的半導體前段製程所需的設備，已經大致研發完畢，開始正式銷售。預計2018 年以前，切割芯片功能與封裝等的後段製程設備也會開發完成。