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

Multibeam Corporation 早前確認(rèn)已開始一項雄心勃勃的項目，將其創(chuàng)新的Multicolumn電子束光刻技術(shù)（MEBL）用于在45nm及先進節(jié)點上對整個晶圓進行圖形化，而無需使用任何掩模，以用于后端生產(chǎn)（ BEOL）處理。

這份由美國國防部（DoD）資助，由懷特·帕特森空軍基地（Wright-Patterson Air Force Base）的空軍研究實驗室（AFRL）計劃管理的合同，總額為3800萬美元，其中包括美國政府可以選擇從Multibeam購買另一套MEBL生產(chǎn)系統(tǒng)的合同。。

Multibeam董事長兼首席執(zhí)行官David K. Lam博士說：“這份合同獎以及我們根據(jù)先前的DoD合同開發(fā)的 全芯片ID應(yīng)用程序凸顯了我們創(chuàng)新的MEBL平臺的多功能性。“這兩個應(yīng)用程序都旨在在我們的MEBL生產(chǎn)系統(tǒng)上運行?！?/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)者對如此少量的種類繁多的芯片幾乎沒有興趣，因為他們的業(yè)務(wù)面向大批量生產(chǎn)。此外，仍然需要具有“成熟”節(jié)點的早期芯片。盡管用于此類節(jié)點的掩膜的價格較低，但與掩碼相關(guān)的成本確實會增加。需求較少的掩模通常需要很長的交貨時間，這會對生產(chǎn)中的晶圓廠生產(chǎn)率以及新芯片開發(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)面臨類似挑戰(zhàn)

IoT芯片通常是小型，簡單的SoC，可以執(zhí)行特定任務(wù)，并且在Internet上無處不在。此類芯片因大多數(shù)政府，商業(yè)，工業(yè)和消費產(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較小，因為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序多種多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場分散。在這個對成本敏感的市場中競爭是一個真正的挑戰(zhàn)。然而，小批量，成熟節(jié)點的物聯(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)備專注于尖端節(jié)點的大批量生產(chǎn)。結(jié)果，自2007年光學(xué)分辨率達(dá)到極限以來，DUV（193nm ArF干法或浸入式）光刻系統(tǒng)的進展一直很少。

Lam博士說：“隨著IC的激增，PC和手機等傳奇性的“殺手級應(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)域是巨大的機會。我們通過創(chuàng)新的多功能MEBL平臺支持這些服務(wù)水平不高但快速增長的市場。公司宣布的全晶圓全無掩模構(gòu)圖計劃以及已經(jīng)開始的安全芯片ID嵌入將引領(lǐng)這一潮流。”

日本也在進行相關(guān)的計劃

除了這個公司以外，日本也在進行相關(guān)的計劃。

據(jù)報道，日本橫河電機將日本最早的AIST 最小晶圓廠（Mini Fab）項目投入生產(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，臺積電最新的超大晶圓廠（GIGAFAB），每個月可生產(chǎn)超過10萬片12 吋晶圓，每座造價高達(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)時代小量、多樣的感測器需求，起價卻只要5 億日圓（1.7 億元臺幣）?！度战?jīng)商業(yè)周刊》稱之為：「顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)」。

這個由經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由 140 間日本企業(yè)、團體聯(lián)合開發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過成本與技術(shù)門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺積電董事長張忠謀 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)體的垂直整合時代。

販賣這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每臺外型流線、美觀的制造機臺，大小約與飲料自動販賣機差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺機器，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網(wǎng)球場的大小。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、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識的創(chuàng)新做法──不需要無塵室。

半導(dǎo)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，制造室內(nèi)一定要保持超高潔凈度。維持無塵室需要大量的電力，因此不只投資金額很高、維持費用也相當(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)了這項業(yè)界的常識。「半導(dǎo)體工廠真的需要無塵室嗎？明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已。」抱持著這項疑問，原史朗從 1990 年代開始構(gòu)想「迷你晶圓廠」。

幾年后，原史朗終于開發(fā)出局部無塵化的關(guān)鍵技術(shù)，并將此成果制出特殊運輸系統(tǒng)「Minimal Shuttle」。利用電磁鐵控制開關(guān)，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(chǎn)系統(tǒng)。要處理的晶圓大約直徑 0.5 英吋，比 1 日圓硬幣還要小。因為晶圓很小，所以生產(chǎn)裝置也要跟著變小。

芯片從晶圓上切割下來，大約 1 平方公分大小?！该阅憔A廠」的年產(chǎn)量大約是 50 萬個，一般的 12 吋晶圓廠則是兩億個。如果只生產(chǎn) 1 萬個，市面上每一芯片要收 1 萬日圓，但「迷你晶圓廠」只要收 1，200 日圓。

這項「迷你晶圓廠」的研發(fā)計劃，源自 2010 年。從 2012 年開始的 3 年內(nèi)，獲得經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的預(yù)算，計劃也隨之通過?，F(xiàn)在包含許多制造大廠在內(nèi)，共 140 間企業(yè)團體參與。雖然是由橫河解決方案在販?zhǔn)?，可是參與開發(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)備也會開發(fā)完成。這次橫河電機將其mini fab投產(chǎn)，對產(chǎn)業(yè)來說，也是重要一步。