V oblasti výroby polovodičov čelí tradičný model veľkovýroby s vysokými kapitálovými investíciami potenciálnej revolúcii. Na nadchádzajúcej výstave „CEATEC 2024“ predstavuje organizácia Minimum Wafer Fab Promotion Organization úplne novú metódu výroby polovodičov, ktorá využíva ultramalé zariadenia na výrobu polovodičov pre litografické procesy. Táto inovácia prináša nebývalé príležitosti pre malé a stredné podniky (MSP) a startupy. Tento článok zhrnie relevantné informácie s cieľom preskúmať pozadie, výhody, výzvy a potenciálny vplyv technológie Minimum Wafer Fab na polovodičový priemysel.
Výroba polovodičov je odvetvie s vysokou kapitálovou a technologickou náročnosťou. Tradične si výroba polovodičov vyžaduje veľké továrne a čisté miestnosti na hromadnú výrobu 12-palcových doštičiek. Kapitálové investície do každej veľkej továrne na výrobu doštičiek často dosahujú až 2 bilióny jenov (približne 120 miliárd RMB), čo malým a stredným podnikom a startupom sťažuje vstup do tejto oblasti. S príchodom technológie minimálnej výroby doštičiek sa však táto situácia mení.
Továrne na výrobu minimálnych doštičiek sú inovatívne systémy na výrobu polovodičov, ktoré používajú 0,5-palcové doštičky, čím sa v porovnaní s tradičnými 12-palcovými doštičkami výrazne znižuje rozsah výroby a kapitálové investície. Kapitálová investícia do tohto výrobného zariadenia je len približne 500 miliónov jenov (približne 23,8 milióna RMB), čo umožňuje malým a stredným podnikom a startupom začať s výrobou polovodičov s nižšími investíciami.
Počiatky technológie minimálnej výroby doštičiek možno vysledovať až k výskumnému projektu, ktorý v roku 2008 inicioval Národný inštitút pokročilej priemyselnej vedy a technológie (AIST) v Japonsku. Cieľom tohto projektu bolo vytvoriť nový trend vo výrobe polovodičov dosiahnutím viacrozmernej malosériovej výroby. Iniciatíva, ktorú viedlo japonské ministerstvo hospodárstva, obchodu a priemyslu, zahŕňala spoluprácu 140 japonských spoločností a organizácií s cieľom vyvinúť novú generáciu výrobných systémov s cieľom výrazne znížiť náklady a technické bariéry, čo by umožnilo výrobcom automobilov a domácich spotrebičov vyrábať polovodiče a senzory, ktoré potrebujú.
Výhody technológie Minimum Wafer Fab:
1. **Výrazne znížené kapitálové investície:** Tradičné veľké továrne na výrobu doštičiek vyžadujú kapitálové investície presahujúce stovky miliárd jenov, zatiaľ čo cieľová investícia pre minimálne továrne na výrobu doštičiek je iba 1/100 až 1/1000 tejto sumy. Keďže každé zariadenie je malé, nie sú potrebné veľké výrobné priestory ani fotomasky na výrobu obvodov, čo výrazne znižuje prevádzkové náklady.
2. **Flexibilné a rozmanité výrobné modely:** Výrobne s minimálnym počtom doštičiek sa zameriavajú na výrobu rôznych malých sérií produktov. Tento výrobný model umožňuje malým a stredným podnikom a startupom rýchlo sa prispôsobiť a vyrábať podľa svojich potrieb, čím uspokojuje dopyt trhu po prispôsobených a rozmanitých polovodičových produktoch.
3. **Zjednodušené výrobné procesy:** Výrobné zariadenia v továrňach na výrobu minimálnych doštičiek majú pre všetky procesy rovnaký tvar a veľkosť a prepravné kontajnery (kyvadlové systémy) na doštičky sú univerzálne pre každý krok. Keďže zariadenia a kyvadlové systémy pracujú v čistom prostredí, nie je potrebné udržiavať veľké čisté miestnosti. Táto konštrukcia výrazne znižuje výrobné náklady a zložitosť vďaka lokalizovanej čistej technológii a zjednodušeným výrobným procesom.
4. **Nízka spotreba energie a spotreba energie v domácnostiach:** Výrobné zariadenia v továrňach s minimálnym počtom doštičiek sa vyznačujú nízkou spotrebou energie a môžu pracovať so štandardným domácim striedavým napätím 100 V. Táto vlastnosť umožňuje používanie týchto zariadení v prostrediach mimo čistých priestorov, čo ďalej znižuje spotrebu energie a prevádzkové náklady.
5. **Skrátené výrobné cykly:** Výroba polovodičov vo veľkom meradle si zvyčajne vyžaduje dlhú čakaciu dobu od objednávky po dodanie, zatiaľ čo továrne na výrobu minimálnych doštičiek dokážu dosiahnuť včasnú výrobu požadovaného množstva polovodičov v požadovanom časovom rámci. Táto výhoda je obzvlášť zrejmá v oblastiach, ako je internet vecí (IoT), ktoré vyžadujú malé polovodičové produkty s vysokým počtom zmiešaných produktov.
**Ukážka a aplikácia technológie:**
Na výstave „CEATEC 2024“ predviedla organizácia Minimum Wafer Fab Promotion Organization proces litografie s použitím ultra malých zariadení na výrobu polovodičov. Počas demonštrácie boli rozmiestnené tri stroje na predvedenie procesu litografie, ktorý zahŕňal nanášanie rezistu, expozíciu a vyvolávanie. Prepravná nádoba na doštičky (kyvadlová doprava) sa držala v ruke, umiestnila do zariadenia a aktivovala sa stlačením tlačidla. Po dokončení sa kyvadlová doprava zdvihla a nainštalovala na ďalšie zariadenie. Vnútorný stav a priebeh každého zariadenia sa zobrazovali na jeho príslušných monitoroch.
Po dokončení týchto troch procesov bol plátok preskúmaný pod mikroskopom, pričom sa na ňom objavil vzor s nápisom „Happy Halloween“ a ilustráciou tekvice. Táto demonštrácia nielenže predviedla uskutočniteľnosť technológie minimálnej výroby plátkov, ale zdôraznila aj jej flexibilitu a vysokú presnosť.
Okrem toho niektoré spoločnosti začali experimentovať s technológiou minimálnej výroby doštičiek. Napríklad spoločnosť Yokogawa Solutions, dcérska spoločnosť Yokogawa Electric Corporation, uviedla na trh zjednodušené a esteticky príjemné výrobné stroje, zhruba o veľkosti automatu na nápoje, pričom každý z nich je vybavený funkciami čistenia, ohrevu a expozície. Tieto stroje v podstate tvoria výrobnú linku na výrobu polovodičov a minimálna plocha potrebná pre výrobnú linku „mini továrne na doštičky“ je len o veľkosti dvoch tenisových kurtov, čo je len 1 % plochy 12-palcovej továrne na doštičky.
Výrobcovia minimálnych doštičiek však v súčasnosti len ťažko konkurujú veľkým výrobcom polovodičov. Návrhy ultrajemných obvodov, najmä v pokročilých procesných technológiách (ako napríklad 7 nm a menej), sa stále spoliehajú na pokročilé zariadenia a rozsiahle výrobné kapacity. Procesy výroby 0,5-palcových doštičiek v továrňach na výrobu minimálnych doštičiek sú vhodnejšie na výrobu relatívne jednoduchých zariadení, ako sú senzory a MEMS.
Výrobne minimálnych doštičiek predstavujú veľmi sľubný nový model výroby polovodičov. Vyznačujú sa miniaturizáciou, nízkymi nákladmi a flexibilitou a očakáva sa, že poskytnú nové trhové príležitosti pre malé a stredné podniky a inovatívne spoločnosti. Výhody výroby minimálnych doštičiek sú obzvlášť zrejmé v špecifických aplikačných oblastiach, ako sú internet vecí, senzory a MEMS.
V budúcnosti, s rozvojom a ďalšou propagáciou technológie, by sa minimálne výrobné závody na výrobu doštičiek (wafer fabs) mohli stať dôležitou silou v odvetví výroby polovodičov. Nielenže poskytujú malým podnikom príležitosti vstúpiť do tejto oblasti, ale môžu tiež viesť k zmenám v štruktúre nákladov a výrobných modeloch celého odvetvia. Dosiahnutie tohto cieľa si bude vyžadovať väčšie úsilie v oblasti technológií, rozvoja talentov a budovania ekosystémov.
Z dlhodobého hľadiska by úspešná podpora výroby minimálnych doštičiek mohla mať hlboký vplyv na celý polovodičový priemysel, najmä pokiaľ ide o diverzifikáciu dodávateľského reťazca, flexibilitu výrobného procesu a kontrolu nákladov. Rozšírené využitie tejto technológie pomôže podporiť ďalšie inovácie a pokrok v globálnom polovodičovom priemysle.
Čas uverejnenia: 14. októbra 2024