V oblasti výroby polovodičů čelí tradiční velkovýrobní model s vysokými kapitálovými investicemi potenciální revoluci. Na nadcházejícím veletrhu „CEATEC 2024“ představuje organizace Minimum Wafer Fab Promotion Organization zcela novou metodu výroby polovodičů, která využívá ultramalá zařízení pro výrobu polovodičů pro litografické procesy. Tato inovace přináší nebývalé příležitosti pro malé a střední podniky (MSP) a startupy. Tento článek shrnuje relevantní informace a prozkoumá pozadí, výhody, výzvy a potenciální dopad technologie Minimum Wafer Fab na polovodičový průmysl.
Výroba polovodičů je vysoce kapitálově a technologicky náročné odvětví. Tradičně vyžaduje výroba polovodičů velké továrny a čisté prostory pro hromadnou výrobu 12palcových destiček. Kapitálové investice do každé velké továrny na výrobu destiček často dosahují až 2 bilionů jenů (přibližně 120 miliard RMB), což malým a středním podnikům a startupům ztěžuje vstup do této oblasti. S nástupem technologie minimálních továren na výrobu destiček se však tato situace mění.
Továrny na výrobu minimálních destiček jsou inovativní systémy pro výrobu polovodičů, které používají 0,5palcové destičky, což ve srovnání s tradičními 12palcovými destičkami výrazně snižuje rozsah výroby a kapitálové investice. Kapitálová investice do tohoto výrobního zařízení činí pouze asi 500 milionů jenů (přibližně 23,8 milionu RMB), což umožňuje malým a středním podnikům a startupům zahájit výrobu polovodičů s nižšími investicemi.
Počátky technologie minimální výroby waferů (minimum wafer fab) lze vysledovat až k výzkumnému projektu, který v roce 2008 inicioval Národní institut pokročilých průmyslových věd a technologií (AIST) v Japonsku. Cílem tohoto projektu bylo vytvořit nový trend ve výrobě polovodičů dosažením vícerozměrné malosériové výroby. Iniciativa, vedená japonským ministerstvem hospodářství, obchodu a průmyslu, zahrnovala spolupráci mezi 140 japonskými společnostmi a organizacemi na vývoji nové generace výrobních systémů s cílem výrazně snížit náklady a technické bariéry, což by umožnilo výrobcům automobilů a domácích spotřebičů vyrábět polovodiče a senzory, které potřebují.
Výhody technologie Minimum Wafer Fab:
1. **Výrazně snížené kapitálové investice:** Tradiční velké továrny na výrobu destiček vyžadují kapitálové investice přesahující stovky miliard jenů, zatímco cílová investice pro minimální továrny na výrobu destiček je pouze 1/100 až 1/1000 této částky. Vzhledem k tomu, že každé zařízení je malé, není potřeba velkých výrobních prostor ani fotomasek pro výrobu obvodů, což výrazně snižuje provozní náklady.
2. **Flexibilní a rozmanité výrobní modely:** Továrny na výrobu minimálních destiček se zaměřují na výrobu různých malosériových produktů. Tento výrobní model umožňuje malým a středním podnikům a startupům rychle se přizpůsobit a vyrábět podle svých potřeb, čímž uspokojují poptávku trhu po zakázkových a rozmanitých polovodičových produktech.
3. **Zjednodušené výrobní procesy:** Výrobní zařízení v továrnách na výrobu minimálních destiček má pro všechny procesy stejný tvar a velikost a přepravní kontejnery (kyvadlové kontejnery) pro destičky jsou pro každý krok univerzální. Vzhledem k tomu, že zařízení a kyvadlové kontejnery pracují v čistém prostředí, není nutné udržovat velké čisté místnosti. Tato konstrukce výrazně snižuje výrobní náklady a složitost díky lokalizované čisté technologii a zjednodušeným výrobním procesům.
4. **Nízká spotřeba energie a spotřeba energie v domácnostech:** Výrobní zařízení v továrnách na výrobu minimálních destiček se vyznačuje nízkou spotřebou energie a může pracovat se standardním domácím střídavým napětím 100 V. Tato vlastnost umožňuje použití těchto zařízení v prostředích mimo čisté prostory, což dále snižuje spotřebu energie a provozní náklady.
5. **Zkrácené výrobní cykly:** Velkoobjemová výroba polovodičů obvykle vyžaduje dlouhou čekací dobu od objednávky po dodání, zatímco továrny na výrobu minimálních destiček mohou dosáhnout včasné výroby požadovaného množství polovodičů v požadovaném časovém rámci. Tato výhoda je zvláště patrná v oblastech, jako je internet věcí (IoT), které vyžadují malé polovodičové produkty s vysokou složenou produkcí.
**Ukázka a aplikace technologie:**
Na výstavě „CEATEC 2024“ předvedla organizace Minimum Wafer Fab Promotion Organization litografický proces s využitím ultra malých zařízení pro výrobu polovodičů. Během demonstrace byly rozmístěny tři stroje, které předváděly litografický proces, zahrnující nanášení rezistu, expozici a vyvolání. Přepravní kontejner na destičky (kyvadlová doprava) byl držen v ruce, umístěn do zařízení a aktivován stisknutím tlačítka. Po dokončení byl kyvadlová doprava zvednuta a nastavena na další zařízení. Vnitřní stav a průběh každého zařízení byly zobrazeny na jeho příslušných monitorech.
Jakmile byly tyto tři procesy dokončeny, byl wafer prozkoumán pod mikroskopem, který odhalil vzor s nápisem „Happy Halloween“ a ilustrací dýně. Tato demonstrace nejen ukázala proveditelnost technologie minimální výroby waferů, ale také zdůraznila její flexibilitu a vysokou přesnost.
Některé společnosti navíc začaly experimentovat s technologií minimální výroby waferů. Například Yokogawa Solutions, dceřiná společnost Yokogawa Electric Corporation, uvedla na trh efektivní a esteticky příjemné výrobní stroje o velikosti zhruba automatu na nápoje, každý vybavený funkcemi pro čištění, ohřev a expozici. Tyto stroje v podstatě tvoří výrobní linku na výrobu polovodičů a minimální plocha potřebná pro výrobní linku „mini wafer fab“ je pouze o velikosti dvou tenisových kurtů, což je pouhé 1 % plochy 12palcové wafer fab.
Továrny na výrobu minimálních destiček se však v současnosti potýkají s konkurencí velkým továrnám na polovodiče. Návrhy ultrajemných obvodů, zejména v pokročilých procesních technologiích (jako je 7nm a méně), stále závisí na pokročilém vybavení a velkovýrobních kapacitách. Procesy výroby 0,5palcových destiček v továrnách na výrobu minimálních destiček jsou vhodnější pro výrobu relativně jednoduchých zařízení, jako jsou senzory a MEMS.
Továrny s minimálním počtem waferů představují velmi slibný nový model výroby polovodičů. Vyznačují se miniaturizací, nízkými náklady a flexibilitou a očekává se, že poskytnou nové tržní příležitosti pro malé a střední podniky a inovativní společnosti. Výhody továren s minimálním počtem waferů jsou obzvláště patrné ve specifických aplikačních oblastech, jako je internet věcí, senzory a MEMS.
V budoucnu, s tím, jak se technologie bude dále rozvíjet a prosazovat, by se minimální továrny na výrobu destiček mohly stát důležitou silou v odvětví výroby polovodičů. Nejenže poskytují malým podnikům příležitosti ke vstupu do této oblasti, ale mohou také vést ke změnám ve struktuře nákladů a výrobních modelech celého odvětví. Dosažení tohoto cíle bude vyžadovat větší úsilí v oblasti technologií, rozvoje talentů a budování ekosystémů.
Z dlouhodobého hlediska by úspěšná propagace továren na výrobu minimálních waferů mohla mít hluboký dopad na celý polovodičový průmysl, zejména pokud jde o diverzifikaci dodavatelského řetězce, flexibilitu výrobního procesu a kontrolu nákladů. Široké využití této technologie pomůže podpořit další inovace a pokrok v globálním polovodičovém průmyslu.
Čas zveřejnění: 14. října 2024