來源：半導體行業觀察 編譯自「 semiconductor-digest 」

Multibeam Corporation 早前確認已開始一項雄心勃勃的項目，將其創新的Multicolumn電子束光刻技術（MEBL）用于在45nm及先進節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（ 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生產系統的合同。。

Multibeam董事長兼首席執行官David K. Lam博士說：“這份合同獎以及我們根據先前的DoD合同開發的 全芯片ID應用程序凸顯了我們創新的MEBL平臺的多功能性。“這兩個應用程序都旨在在我們的MEBL生產系統上運行。”

“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“小批量，高混合”芯片。但是，光學光刻設備的領導者對如此少量的種類繁多的芯片幾乎沒有興趣，因為他們的業務面向大批量生產。此外，仍然需要具有“成熟”節點的早期芯片。盡管用于此類節點的掩膜的價格較低，但與掩碼相關的成本確實會增加。需求較少的掩模通常需要很長的交貨時間，這會對生產中的晶圓廠生產率以及新芯片開發中的學習周期產生負面影響。

物聯網芯片生產面臨類似挑戰

IoT芯片通常是小型，簡單的SoC，可以執行特定任務，并且在Internet上無處不在。此類芯片因大多數政府，商業，工業和消費產品中IC含量的急劇增加而得到認可。總體而言，物聯網芯片制造商是大批量生產商。但是它們的批量相對較小，因為物聯網應用程序多種多樣且物聯網市場分散。在這個對成本敏感的市場中競爭是一個真正的挑戰。然而，小批量，成熟節點的物聯網芯片制造商很少獲得光學光刻設備領導者的支持，這些設備專注于尖端節點的大批量生產。結果，自2007年光學分辨率達到極限以來，DUV（193nm ArF干法或浸入式）光刻系統的進展一直很少。

Lam博士說：“隨著IC的激增，PC和手機等傳奇性的“殺手級應用”正被眾多物聯網應用（數字和模擬）所取代。“雖然光刻設備領導者忽略了“小批量”，但Multibeam認為這一領域是巨大的機會。我們通過創新的多功能MEBL平臺支持這些服務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圖計劃以及已經開始的安全芯片ID嵌入將引領這一潮流。”

日本也在進行相關的計劃

除了這個公司以外，日本也在進行相關的計劃。

據報道，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。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），每個月可生產超過10萬片12 吋晶圓，每座造價高達3 千億元。但日本推出的「迷你晶圓廠」（Minimal Fab），瞄準物聯網時代小量、多樣的感測器需求，起價卻只要5 億日圓（1.7 億元臺幣）。《日經商業周刊》稱之為：「顛覆全球半導體業界的制造系統」。

這個由經濟產業省主導，由 140 間日本企業、團體聯合開發的新世代制造系統，目標是透過成本與技術門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產所需的半導體及感應器。形同推翻臺積電董事長張忠謀 30 年前所創的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產半導體的垂直整合時代。

販賣這種生產系統的，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，都相當于一條半導體制造的生產線。一條「迷你晶圓廠」產線，所需的最小面積是大約是兩個網球場的大小。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，首先是挑戰業界常識的創新做法──不需要無塵室。

半導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、維持費用也相當驚人。所以半導體不大量生產的話，很難獲利。

產業技術總合研究所的原史朗挑戰了這項業界的常識。「半導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 年代開始構想「迷你晶圓廠」。

幾年后，原史朗終于開發出局部無塵化的關鍵技術，并將此成果制出特殊運輸系統「Minimal Shuttle」。利用電磁鐵控制開關，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系統。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。「迷你晶圓廠」的年產量大約是 50 萬個，一般的 12 吋晶圓廠則是兩億個。如果只生產 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」的研發計劃，源自 2010 年。從 2012 年開始的 3 年內，獲得經濟產業省的預算，計劃也隨之通過。現在包含許多制造大廠在內，共 140 間企業團體參與。雖然是由橫河解決方案在販售，可是參與開發制造的日本中小企業大約有 30 間，這也是該設備的一大特色之一。

根據計劃，「迷你晶圓廠」的半導體前段制程所需的設備在2016年已經大致研發完畢，開始正式販售。而 2018 年以前，切割芯片功能與封裝等的后段制程設備也會開發完成。這次橫河電機將其mini fab投產，對產業來說，也是重要一步。