日本顛覆台積電霸業的秘密武器──物聯網時代的「迷你晶圓廠」

台積電最新的超大晶圓廠（GIGAFAB），每個月可生產超過 10 萬片 12 寸晶圓，每座造價高達 3 千億新台幣（約合610億人民幣）。但今年 4 月 1 日，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 億日元（0.3 億元人民幣）。《日經商業周刊》稱之為：「顛覆全球半導體業界的製造系統」。

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製造系統，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。形同推翻台積電董事長張忠謀 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。每台外型流線、美觀的製造機台，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。每一台機器，都相當於一條半導體製造的生產線。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 寸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。

半導體晶元上如果沾有超過 0.1 微米的灰塵就算是不良品，為此，製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」。

幾年後，原史朗終於開發出局部無塵化的關鍵技術，並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 英寸，比 1 日元硬幣還要小。因為晶圓很小，所以生產設備也要跟著變小。

晶元從晶圓上切割下來，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 寸晶圓廠則是兩億個。如果只生產 1 萬個，市面上每一晶元要收 1 萬日元，但「迷你晶圓廠」只要收 1,200 日元。

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。現在包含許多製造大廠在內，共 140 間企業團體參與。雖然是由橫河解決方案在銷售，可是參與開發製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。

目前「迷你晶圓廠」的半導體前段製程所需的設備，已經大致研發完畢，開始正式銷售。預計 2018 年以前，切割晶元功能與封裝等的後段製程設備也會開發完成。

（本文由 天下雜誌授權轉載）

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