最近迷你晶圓廠話題又開始出現在媒體報道中，其實早在今年 4 月 1 日，就報道日本推出的“迷你晶圓廠”（Minimal Fab），瞄準物聯網時代少量、多樣的感測器需求，起價卻只要 5 億日元（0.3 億元人民幣），而以臺積電為例，蓋一座晶圓廠造價則高達610億人民幣。因此這種極具成本優勢的新系統就成為了媒體眼中革命臺積電的“祕密武器”，可是真的如此嗎？
什麼是迷你晶圓廠
在這種生產系統中，每臺外型流線、美觀的製造機臺，大小約與飲料自動販賣機差不多，但各自具備洗淨、加熱、曝光等功能。每一臺機器，都相當於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 寸晶圓廠的百分之一面積。因為其不需要無塵室，故而可以做到佔地面積更小。正常情況下從提出需求到生產完成通常也需要五個月，到了7nm及以下有可能生產週期甚至長達半年，而因為迷你晶圓廠不需要光罩，由此節約了大量時間，可能只需要十天左右就能製造出來，當然產能比較小，一年可能五十萬片這樣的產能。廠房機器設備成本更低，而生產週期更短，因此當時就有媒體稱之為：“顛覆全球半導體業界的製造系統”。
這個是由日本經濟產業省主導，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，形同推翻檯積電董事長張忠謀 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。經過數十年，各大半導體廠好不容易甩掉生產製造這個重包袱，而現在日本的這項計劃又要讓大家重新背上，負重前行。這個信心究竟來自哪裡？
首先我們需要對半導體制造的流程有個清晰的認識和了解。在日本作家湯之上隆的書籍《失去的製造業，日本製造業的敗北》對於半導體制造流程有過簡要的介紹：
製造半導體分為3個技術階段：1、組件技術；2、集成技術；3、批量生產技術。以存儲器為例，分別介紹這3個技術階段內容。
1、組件技術
這是半導體制造工序的最小單位工藝技術。具體有以下技術：在硅片上形成薄膜的成膜技術，在其薄膜上形成抗蝕劑掩膜的光刻技術，按照刻蝕劑掩膜進行加工的刻蝕技術，加工後去除殘渣及顆粒（異物）的清潔技術，測定加工後的圖形尺寸以及檢測是否有缺陷等的檢測技術，等等。簡單點說就是先在硅片表面形成一層薄膜，保護硅表面，然後如果要對某一具體位置進行操作，這個就需要光刻技術把這個位置給挖出來，然後對這一位置進行你要的操作，也就是刻蝕，之後再做清潔工作，最後就是檢查工作。通常需要25~30次反覆進行上述操作，才能在硅片上形成你所需要的3維結構。
2、集成技術
將各種組件技術組合起來形成一套工藝流程的技術就是集成技術。對組件技術的組合可以有無窮多種，因為沒有限制每一組件技術的應用次數。那如何衡量集成技術的好壞呢？這也正是集成技術的難度所在，如何在短時間內完成從無限的組件技術組合中，製造低成本、滿足規格且能流暢運行的工藝流程。
研發人員通常碰到的問題是很難根據最先的計劃流程生產出可用的存儲器，此時就需要及時作出調整，有時甚至需要重新設計來過。因此一個好的集成技術人員對於企業而言也可謂是一至寶。！
3、批量生產技術
研發中心將設計出來的工藝流程轉交給批量生產部門，這裡就涉及到一個工藝複製的問題。我們把基於相同設備的複製稱為精確複製，而如果對於設備不同的進行復制則稱為基本複製。其實根本沒有精確複製，即使是相同型號的設備，在出廠時也會存在微小的性能差異，這個稱為機差。尤其是現在進入納米工藝時代，機差的影響越來越不容忽視。
通常用成品率作為批量生產的指標。成品率是指生產出來的合格產品所佔的比率。如果最終的成本品太低，則需要返回到集成技術階段，再不行甚至需要重新改變組件技術。通常，從研發中心最初制定的工藝流程到形成能使批量生產工廠獲得高成品率的工藝流程，通常需要5~10次反覆。
理解了半導體的製造流程內容我們再來做進一步分析。根據前述媒體分析，優勢有以下幾項：1、“迷你晶圓廠”成本低，臺積電蓋一座晶圓廠造價高達 3 千億新臺幣（約合610億人民幣），而迷你晶圓廠只要0.3億人民幣；2、體積小，不需要無塵室；3、不需要光罩，可大幅減少生產時間，同時還可大幅降低成本，還舉了一個例子：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 寸晶圓廠則是兩億個。如果只生產 1 萬個，市面上每一芯片要收 1 萬日元，但“迷你晶圓廠”只要收 1，200 日元。看起來迷你晶圓廠似乎真的能帶來新的革命，但真的那麼美好嗎？
迷你晶圓廠真的能帶來革命嗎？
這裡分析下上述所列的幾項優勢，是否真的存在。迷你晶圓廠對於大廠而言，肯定是毫無吸引力的，因為設計大廠出貨量大，小晶圓廠的產能是無法滿足他們的需求的。因此迷你晶圓廠瞄準的就是中小型芯片設計廠，但是一座晶圓廠的成本不僅在於其製造成本，還有其生產運營成本、設備維護成本、土地租金以及管理成本等，後面這些成本加起來恐怕早已超過了晶圓廠本身的製造成本。
其次“迷你晶圓廠”不需要無塵室，那請問如果生產良率太低，那人們又該如何進入機器內部進行觀察，及時調整組件技術或是調整各組件計算之間的排列組合，這種調整到目前為止還沒辦法用機器實現自動化調整，必須要有人工干預。芯片良率問題一直以來都是芯片廠商長期困擾的一個問題，依靠小型迷你晶圓廠究竟能達到怎樣的良率，這其中涉及到精密的組件技術和排列組合複雜多樣的集成技術。這個就夠小型“迷你晶圓廠”喝一壺了。
還有迷你晶圓廠不需要用到光罩，那究竟迷你晶圓廠的工藝製造能達到什麼樣的水平，這裡就要打一個大大的問號了。如果只是達到180或130nm這樣的水平，那這種競爭力是上不了檯面的，如果能達到10nm工藝，那則另說。但是目前要進入10nm工藝的廠商也寥寥無幾，沒個十幾年積累，就想瞬間彎道超車，也不太現實。
最後簡單計算單個芯片造價的方式本身就是一種誤解，芯片產業從來都是一個講究規模經濟的產業，要理解一點，芯片和互聯網產品一樣，有著幾乎為0的邊際成本，當產量大的時候，多生產一塊芯片和少生產一塊芯片，對於設計廠商而言成本幾乎是一樣的。所以要說50萬片的競爭力確實有限。
最後指一下一個認知上的誤區，未來物聯網時代，並不是意味著會有各種各樣定製化的芯片會出現，因為芯片自身的集成特性決定了萬物互聯時代芯片會走向的格局是大一統，而先進製程的芯片會去侵噬落後製程的芯片市場，就像先進的工業文明去侵略落後的農耕文明一樣。我們在這裡做個計算，大家就能有些感受。以明年臺積電量產7nm工藝為例，使用7nm工藝其尺寸是現在主流工藝28nm的四分之一，而集成度就是其16倍，因此其成本可以是其十六分之一，成本可以低這麼多，即使在芯片中刻意為增加新的功能而提高其面積依然具有很大的優勢，或者甚至浪費掉一些功能，也依然有很大的成本優勢。因此所謂的物聯網時代芯片需求多樣化，帶來的芯片種類多樣化本身就是一個偽命題。
未來隨著工藝製程進入到7nm，甚至到5nm，企業與企業之間的設計能力差距不是越來越小，而是越來越大，因為真正有能力使用先進工藝流片的企業越來越少，而擁有先進設計能力的企業依靠先進製程對付設計能力一般的企業那簡直就是秋風掃落葉。
對於“迷你晶圓廠”未來的市場，個人認為是比較悲觀的。迷你晶圓廠能否找到一個利基市場抵擋住來自先進製程芯片的攻擊成為其未來的重中之重。筆者認為“迷你晶圓廠”更多是一種補充，而不是一種挑戰，也許更適合科研機構用於研究使用。
作者簡介
少有人走的路，微電子專業畢業，碩士研究生，和君商學院光榮系畢業生，目前就職於一家全球前十半導體設計企業，從事數字電路後端設計
今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1276期內容，歡迎關注。
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