來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 編譯自「 semiconductor-digest 」

Multibeam Corporation 早前確認(rèn)已開(kāi)始一項(xiàng)雄心勃勃的項(xiàng)目，將其創(chuàng)新的Multicolumn電子束光刻技術(shù)（MEBL）用于在45nm及先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上對(duì)整個(gè)晶圓進(jìn)行圖形化，而無(wú)需使用任何掩模，以用于后端生產(chǎn)（ BEOL）處理。

這份由美國(guó)國(guó)防部（DoD）資助，由懷特·帕特森空軍基地（Wright-Patterson Air Force Base）的空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）計(jì)劃管理的合同，總額為3800萬(wàn)美元，其中包括美國(guó)政府可以選擇從Multibeam購(gòu)買(mǎi)另一套MEBL生產(chǎn)系統(tǒng)的合同。。

Multibeam董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官David K. Lam博士說(shuō)：“這份合同獎(jiǎng)以及我們根據(jù)先前的DoD合同開(kāi)發(fā)的 全芯片ID應(yīng)用程序凸顯了我們創(chuàng)新的MEBL平臺(tái)的多功能性。“這兩個(gè)應(yīng)用程序都旨在在我們的MEBL生產(chǎn)系統(tǒng)上運(yùn)行?！?/p>

“小批量，高混合”芯片需要幫助

確保和受信任的代工廠通常為國(guó)防部生產(chǎn)“小批量，高混合”芯片。但是，光學(xué)光刻設(shè)備的領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)如此少量的種類(lèi)繁多的芯片幾乎沒(méi)有興趣，因?yàn)樗麄兊臉I(yè)務(wù)面向大批量生產(chǎn)。此外，仍然需要具有“成熟”節(jié)點(diǎn)的早期芯片。盡管用于此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的掩膜的價(jià)格較低，但與掩碼相關(guān)的成本確實(shí)會(huì)增加。需求較少的掩模通常需要很長(zhǎng)的交貨時(shí)間，這會(huì)對(duì)生產(chǎn)中的晶圓廠生產(chǎn)率以及新芯片開(kāi)發(fā)中的學(xué)習(xí)周期產(chǎn)生負(fù)面影響。

物聯(lián)網(wǎng)芯片生產(chǎn)面臨類(lèi)似挑戰(zhàn)

IoT芯片通常是小型，簡(jiǎn)單的SoC，可以執(zhí)行特定任務(wù)，并且在Internet上無(wú)處不在。此類(lèi)芯片因大多數(shù)政府，商業(yè)，工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中IC含量的急劇增加而得到認(rèn)可。總體而言，物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商是大批量生產(chǎn)商。但是它們的批量相對(duì)較小，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用程序多種多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)分散。在這個(gè)對(duì)成本敏感的市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。然而，小批量，成熟節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商很少獲得光學(xué)光刻設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)者的支持，這些設(shè)備專(zhuān)注于尖端節(jié)點(diǎn)的大批量生產(chǎn)。結(jié)果，自2007年光學(xué)分辨率達(dá)到極限以來(lái)，DUV（193nm ArF干法或浸入式）光刻系統(tǒng)的進(jìn)展一直很少。

Lam博士說(shuō)：“隨著IC的激增，PC和手機(jī)等傳奇性的“殺手級(jí)應(yīng)用”正被眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（數(shù)字和模擬）所取代?！半m然光刻設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)者忽略了“小批量”，但Multibeam認(rèn)為這一領(lǐng)域是巨大的機(jī)會(huì)。我們通過(guò)創(chuàng)新的多功能MEBL平臺(tái)支持這些服務(wù)水平不高但快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。公司宣布的全晶圓全無(wú)掩模構(gòu)圖計(jì)劃以及已經(jīng)開(kāi)始的安全芯片ID嵌入將引領(lǐng)這一潮流?！?/p>

日本也在進(jìn)行相關(guān)的計(jì)劃

除了這個(gè)公司以外，日本也在進(jìn)行相關(guān)的計(jì)劃。

據(jù)報(bào)道，日本橫河電機(jī)將日本最早的AIST 最小晶圓廠（Mini Fab）項(xiàng)目投入生產(chǎn)。它使用0.5英寸的晶圓，并且不需要潔凈室即可操作。

中所周知，臺(tái)積電最新的超大晶圓廠（GIGAFAB），每個(gè)月可生產(chǎn)超過(guò)10萬(wàn)片12 吋晶圓，每座造價(jià)高達(dá)3 千億元。但日本推出的「迷你晶圓廠」（Minimal Fab），瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代小量、多樣的感測(cè)器需求，起價(jià)卻只要5 億日?qǐng)A（1.7 億元臺(tái)幣）。《日經(jīng)商業(yè)周刊》稱(chēng)之為：「顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)」。

這個(gè)由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由 140 間日本企業(yè)、團(tuán)體聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過(guò)成本與技術(shù)門(mén)檻的大幅降低，讓汽車(chē)與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺(tái)積電董事長(zhǎng)張忠謀 30 年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時(shí)代。

販賣(mài)這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機(jī)集團(tuán)旗下的橫河解決方案。每臺(tái)外型流線、美觀的制造機(jī)臺(tái)，大小約與飲料自動(dòng)販賣(mài)機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺(tái)機(jī)器，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條「迷你晶圓廠」產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的大小。也僅是一座 12 吋晶圓廠的百分之一面積。

「迷你晶圓廠」能夠做到如此廉價(jià)、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識(shí)的創(chuàng)新做法──不需要無(wú)塵室。

半導(dǎo)體芯片上如果沾有超過(guò) 0.1 微米的灰塵就算是不良品，為此，制造室內(nèi)一定要保持超高潔凈度。維持無(wú)塵室需要大量的電力，因此不只投資金額很高、維持費(fèi)用也相當(dāng)驚人。所以半導(dǎo)體不大量生產(chǎn)的話，很難獲利。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所的原史朗挑戰(zhàn)了這項(xiàng)業(yè)界的常識(shí)。「半導(dǎo)體工廠真的需要無(wú)塵室嗎？明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已?！贡С种@項(xiàng)疑問(wèn)，原史朗從 1990 年代開(kāi)始構(gòu)想「迷你晶圓廠」。

幾年后，原史朗終于開(kāi)發(fā)出局部無(wú)塵化的關(guān)鍵技術(shù)，并將此成果制出特殊運(yùn)輸系統(tǒng)「Minimal Shuttle」。利用電磁鐵控制開(kāi)關(guān)，幾乎不會(huì)有灰塵進(jìn)入。

「迷你晶圓廠」的另一個(gè)特點(diǎn)，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(shí)代十分需要的多種少量生產(chǎn)系統(tǒng)。要處理的晶圓大約直徑 0.5 英吋，比 1 日?qǐng)A硬幣還要小。因?yàn)榫A很小，所以生產(chǎn)裝置也要跟著變小。

芯片從晶圓上切割下來(lái)，大約 1 平方公分大小。「迷你晶圓廠」的年產(chǎn)量大約是 50 萬(wàn)個(gè)，一般的 12 吋晶圓廠則是兩億個(gè)。如果只生產(chǎn) 1 萬(wàn)個(gè)，市面上每一芯片要收 1 萬(wàn)日?qǐng)A，但「迷你晶圓廠」只要收 1，200 日?qǐng)A。

這項(xiàng)「迷你晶圓廠」的研發(fā)計(jì)劃，源自 2010 年。從 2012 年開(kāi)始的 3 年內(nèi)，獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的預(yù)算，計(jì)劃也隨之通過(guò)?，F(xiàn)在包含許多制造大廠在內(nèi)，共 140 間企業(yè)團(tuán)體參與。雖然是由橫河解決方案在販?zhǔn)郏墒菂⑴c開(kāi)發(fā)制造的日本中小企業(yè)大約有 30 間，這也是該設(shè)備的一大特色之一。

根據(jù)計(jì)劃，「迷你晶圓廠」的半導(dǎo)體前段制程所需的設(shè)備在2016年已經(jīng)大致研發(fā)完畢，開(kāi)始正式販?zhǔn)?。?2018 年以前，切割芯片功能與封裝等的后段制程設(shè)備也會(huì)開(kāi)發(fā)完成。這次橫河電機(jī)將其mini fab投產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，也是重要一步。