日本的晶圆厂“革命”

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:邱丽婷,谢谢。

说归说,闹归闹,别拿晶圆开玩笑。从一诞生就备受瞩目的“迷你晶圆厂”(Minimal Fab)居然真的投产了。

根据最新报道显示,日本横河电机将日本最早的AIST 迷你晶圆厂项目投入生产。它使用0.5吋的晶圆,并且不需要洁净室即可操作。

资料显示 ,迷你晶圆厂诞生于茨城县筑波市的国家先进工业科学技术研究院(AIST)。该厂起价只要 5 亿日元(0.3 亿元人民币),以台积电为例,相关数据显示 ,盖一座晶圆厂造价则高达610亿人民币。因此不少媒体指出,这种极具成本优势的新系统将会成为革命台积电的“秘密武器”。具体如何不得而知,但迷你晶圆厂的出生与构造却值得我们聊一聊。

迷你晶圆厂的诞生

不得不说,在历史的滚滚车轮中,没有一件事物能够脱离环境本身来谈,迷你晶圆厂的诞生也是如此。

日本经济研究专家野口悠纪雄在其2007年出版的《制造业幻想使日本经济衰弱》一书中曾提到,“若是继续与新兴国家的制造业进行低成本的体力竞赛,任何产业都会因失血过多而亡,所以,在那之前应该马上从这些事业中收手。”从现在来看,日本制造也发展思路正是如此。

从夏普、东芝、松下等世界性知名的家电、3C品牌和产品逐步退出消费品领域的全球“大撤退”,到神户制钢、三菱油耗的造假,新干线底盘断裂,高田气囊的破产,日本开始寻求转变–从制造业全面蓬勃发展向高精尖方向发展。

基于此,当时有报道指出,日本政府认为日厂已不再适合生产大量通用低价商品,应转向少量多样生产线领域。于是在2010年,迷你晶圆厂的概念诞生。

当然更为官方的说辞是,如今,由于物联网(IoT),大数据和人工智能(人工智能)的快速发展,行业正在极大地改变其属性。那也被称为“第四次工业革命”。在这种情况下,半导体越来越多地用于信息和通信,存储器,光学和无线组件,传感器,致动器等的大量设备中,并且它们的应用领域越来越广泛,例如健康和医疗,汽车和交通运输,环境和能源,教育等。

迷你晶圆厂可以提供灵活的制造方法,特别适合于高混合量小批量半导体生产。这也适用于第四次工业革命世界中的新物联网应用。

关于为什么会提出迷你晶圆厂概念,日本产业技术总合研究所(AIST)原史朗念曾在一次采访中提到,“批量生产(计算机芯片)已成为传统制造系统的主流。但是,这种方法很长时间以来令我不满意。现在,全球范围内的新兴趋势是朝着更多的面向用户的应用程序发展,并且在许多人眼中,旧系统日益提高的低生产率和利用率正变得显而易见。因此,我们着手建立一个先进的系统,该系统可以有效地应对多项目小规模制造而不是批量生产。这个新系统不仅缩小了制造设备的尺寸,而且降低了设备成本,并通过查找和标准化通用流程或机器零件为系统建立了通用基础。现在,这项工作正在引领制造业革命,而这一挑战以前从未受到挑战。”

迷你晶圆厂一观

在诸多因素推动之下,2012年,日本经济产业省开始推动迷你晶圆厂计划投资,共有140家厂商参与,于2016年4月1日推出完整半导体前期工程生产线设备,由日本工业设备厂横河电机(Yokogawa Electric)旗下的Yokogawa Solution Services销售;后期工程设备预定于2018年完成,希望到2020年相关设备营收可达50亿日圆(约4,700万美元)。

在这种生产系统中,每台外型流线、美观的制造机台,大小约与饮料自动贩卖机差不多,但各自具备洗净、加热、曝光等功能。每一台机器,都相当于一条半导体制造的生产线。一条“迷你晶圆厂”产线,所需的最小面积是大约是两个网球场的大小。也仅是一座12寸晶圆厂的百分之一面积。

迷你晶圆厂不需要无尘室。众所周知,半导体芯片上如果沾有超过 0.1 微米的灰尘就算是不良品,为此,制造室内一定要保持超高洁净度。维持无尘室需要大量的电力,因此不只投资金额很高、维持费用也相当惊人。所以半导体不大量生产的话,很难获利。

原史朗挑战了这项业界的常识,从 1990 年代开始构想「迷你晶圆厂」。几年后,原史朗终于开发出局部无尘化的关键技术,并将此成果制出特殊运输系统「Minimal Shuttle」。利用电磁铁控制开关,几乎不会有灰尘进入。

这样就可以做到占地面积更小。正常情况下从提出需求到生产完成通常也需要五个月,到了7nm及以下有可能生产周期甚至长达半年,迷你晶圆厂也不需要光罩。由此节约了大量时间,可能只需要十天左右就能制造出来,当然产能比较小,一年可能五十万片这样的产能。厂房机器设备成本更低,而生产周期更短。

不过,原史朗念表示,如果是每年销售超过2亿台的电子产品,改以12吋晶圆生产线大量生产,摊平无尘室、工业电力与耗材成本,估计每个芯片成本要比迷你晶圆低50%。

但大批量生产毕竟不多见, 市场上有许多使用芯片数量不高的机器,如PlayStation 3从推出到停产8年总计生产8,000万台,平均每年需求仅1,000万台,用12吋晶圆厂生产,成本会达0.5吋晶圆厂的8\~10倍。

AIST的研究报告也指出,大型晶圆生产厂适于智能型手机或个人电脑之类大量产品生产需求,但因生产前需要订购大量光罩等各类耗材,从提出需求到生产最快至少要2个月,通常都要5个月,在需求大于月产10万个的市场上,会有明显的生产成本优势。

而迷你晶圆厂使用的0.5吋晶圆,面积只有12吋晶圆的576分之1,但因不需要订购大量耗材,从提出需求到交货时间,可以压缩在1\~7天以内,在月产量少于1万个、或产品寿命周期总产量少于10万个的市场上,不管交货时间还是总生产成本,都会占优势。

汽车半导体也是如此,虽然全球汽车年产量庞大,但各厂各车款采用的半导体都不同,大多数年产量不到10万辆的车款,都需要特制的半导体才能发会特殊性能,这让汽车半导体市场充斥多种年产不到100万个的少量产品。

这类年产量不大的半导体,个别产量不大,总份额不小。目前常用过时的旧款晶圆设备生产,这使得汽车半导体的制程通常比较落后。如果引进微型Fab,就可用最新制程进行这类半导体生产,相较于旧制程产品易享有技术优势。

因此,有报道指出,迷你晶圆厂适用于测试原型产品,与其等1个月甚至1季制造10万个测试品,不如在5天内制造100个测试品,然后马上组装试作,可显著加速消费性电子产品的研发流程。

迷你晶圆厂的未来

再来谈谈迷你晶圆厂是否会对台积电等先进代工厂造成威胁的问题,其实笔者个人认为,这属于晶圆代工厂发展的两个方向。

正如前文所言,迷你晶圆厂也许更适合用来测试原型产品,其对于大厂而言,无疑是毫无吸引力的。因为设计大厂出货量庞大,小型的晶圆厂根本不能满足他们的需求。

因此迷你晶圆厂瞄准的就是中小型芯片设计厂,但是一座晶圆厂的成本不仅在于其制造成本,还有其生产运营成本、设备维护成本、土地租金以及管理成本等,后面这些成本加起来恐怕早已超过了晶圆厂本身的制造成本。

其次,当时也有文章提出质疑,既然“迷你晶圆厂”不需要无尘室,那如果生态良率太低,技术人员又如何进入机器内部进行观察,须知及时调整组件技术或是调整各组件计算之间的排列组合,这种调整到目前为止还没办法用机器实现自动化调整,必须要有人工干预。而芯片良率也一直是长期困扰芯片厂商的问题,迷你晶圆厂究竟能达到怎样的良率目前仍未可知。

还有迷你晶圆厂不需要用到光罩,那究竟迷你晶圆厂的工艺制造能达到什么样的水平?众人也不清楚。如果是落后的工艺,显然不能与主流代工厂相抗衡,而如果是先进工艺,其中投入的研发成本怕是天文数字,在产量微小的情况下将如何实现收支平衡甚至是盈利?

当然迷你晶圆厂的出现也会对半导体产业造成有一定的影响,目前,芯片产业的两种模式虽然并存,但总的来说也是相安无事,但是,随着技术的进步以及市场环境的改变,将会形成新的产业格局。

目前随着摩尔定律发展逐渐变缓,芯片的制造工艺已经逐渐接近极限,以制造工艺保持竞争力的晶圆代工厂商未来的路便会显得越来越窄。

虽然产业资源开始往头部厂商聚拢,但市场的发展却逐渐从集中变为分散,因为,从需求上来说,人们对于电子产品的个性化需求越来越强,这便要求作为电子产品的核心元件——芯片无论是种类还是性能都要有多样性。

这种分散式的需求,或许会催生更多的芯片厂家去进行芯片的设计与制造,而不仅仅是由一些大型的晶元代工企业进行生产。“迷你晶圆厂”技术的出现,能够极大的降低芯片制造的成本,这为众多的电子厂商提供了芯片制造的便利。这也为其提供了一定程度的发展空间。

再者,迷你晶圆厂成本相对低廉,将有助于一些厂商自己进行半导体生产,形成垂直整合的模式。毕竟目前为自己建造一座代工厂的成本十分高昂。

无论怎么去讨论,目前的我们并不知道迷你晶圆厂最终将会往怎样的趋势去发展。但不管怎么样,此次横河电机将其迷你晶圆厂投产,对产业来说,将是重要一步。

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