打造全球最小的“晶圓廠”

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前言

Mitchell Hsing在麻省理工學院讀研究生時，他和同學們利用芯片行業淘汰下來的設備，從事著一些前沿研究。他當時就想，如果每個人都能擁有自己的小型晶圓廠，用來快速制造原型或小批量生產芯片，那該有多棒啊！于是，他創立了InchFab——一家銷售售價500萬至1500萬美元的集裝箱大小潔凈室系統的初創公司。這套系統幾乎可以完成所有不太先進的晶圓廠能做的事情。InchFab之所以能如此緊湊，是因為它使用的硅晶圓比如今價值數十億美元的晶圓廠使用的要小得多。更小的晶圓意味著晶圓廠的設備可以做得更小、更便宜。如今，InchFab的客戶遍布全球，尤其是在那些計劃新建晶圓廠之前，需要培訓芯片制造人才的地區。

Q：InchFab 的創意源自何處？

Mitchell Hsing：這實際上源于我們自己在麻省理工學院制造芯片時遇到的問題。麻省理工學院可以說是世界上進行微加工相關研究的最佳機構之一，但我們當時還在使用上世紀80年代的設備，這些設備甚至需要軟盤才能運行。

Inchfab的誕生實際上正是源于這種挫敗感。當時我在Martin Schmitdt的團隊里，我們正在研究如何降低微加工的準入門檻。

解決方案是縮小現有芯片處理設備的尺寸。這樣一來，設備的價格也可以相應降低。我和我的聯合創始人研究了當一個大型的傳統等離子真空室（比如一個50加侖的油桶大小）縮小到一個一升裝汽水瓶大小的裝置時，物理和化學原理會發生怎樣的變化。

Q：您設計的設備所要加工的晶圓尺寸有多小？

Mitchell Hsing：項目最初的名字叫“一英寸晶圓廠”。這不僅僅是個代號，背后是有原因的：步進光刻機（一種常見的光刻工具）的視場大約是一英寸乘一英寸。但我們意識到一英寸晶圓存在很多問題。首先，這種晶圓買不到，必須自己切割，而切割本身就有很多問題。所以我們很快就把尺寸擴大到兩英寸，現在我們已經達到了四英寸（約100毫米）。

Q：當處理尺寸小得多的基底時，物理原理是否有所不同？

Mitchell Hsing：主要區別在于等離子切割工具，而決定這些變化的并非基材本身，而是等離子切割腔的尺寸。在等離子切割設備中，有一種叫做護套的結構。它本質上是一層沿著腔壁的等離子體，可以保護機器免受自身損壞。護套的厚度與腔體的表面積成正比。當腔體尺寸縮小時，表面積相對于體積的影響就更加顯著。

Q：縮小規模后，有什么事情本身變得更容易了嗎？

Mitchell Hsing：有些事情比較容易——比如后端所需的設備，像真空泵、質量流量控制器、閥門等等。控制較小的體積也更容易。

Q：與普通晶圓廠相比，InchFab 能做什么，不能做什么？

Mitchell Hsing：我們的晶圓廠擁有與世界上任何其他晶圓廠相同的工藝能力，包括光刻、計量、干法刻蝕、等離子體增強化學氣相沉積、原子層沉積和濕法工藝。基本上，你能想到的工藝，我們可能都有。

我們的主要限制在于光刻技術，包括特征尺寸和速度。特征尺寸與速度成正比，而速度對于生產制造至關重要。在一定的生產規模下，我們可以使用光刻技術實現半微米的特征尺寸。我們甚至可以做到更小的，達到幾十納米。然而，寫入速度會慢很多，因為這需要用到電子束光刻或壓印光刻技術。

Q：幾年前你第一次跟我提起這個想法時，我并不相信它能實現。最初人們對這項計劃有哪些反應？你對那些反對者有什么回應？

Mitchell Hsing：是啊，我們還是會遇到反對的聲音。主要的反對意見是我們需要使用大尺寸晶圓。他們的論點是：“如果我使用更大的晶圓，我就可以在每片晶圓上制造更多東西。這樣一來，每個芯片的價格就會下降。” 如果你能把一座每月生產1萬片晶圓的工廠填滿，那么這個論點就成立。

但我們已經證明，這種說法并不成立。你需要根據目標市場的需求來選擇合適的晶圓尺寸和晶圓廠產能。最終決定芯片價格的是晶圓廠的資本效率和產能利用率。這兩者必須匹配，而不是晶圓尺寸。這是我們七年來一直堅持的。很多時候，我們（使用更小的晶圓）在價格上可以與如今的8英寸晶圓代工廠相媲美。

Q：在這種情況下，什么樣的客戶才能具備價格競爭力？

Mitchell Hsing：這要視情況而定，但總的來說，我們目前服務的最大市場是工業、傳感、生物醫學、航空航天和國防。我們目前也在拓展其他領域，例如化合物半導體以及與之相關的各種產品和工藝，比如功率和高頻射頻應用。此外，我們還在關注量子和光子領域。任何需要定制工藝流程或產品產量本身就不高的應用都非常適合我們。

關于我們晶圓廠的用途，我再補充一點。目前，我們業務的很大一部分是人才培養。如今，幾乎全世界都希望擁有某種形式的本土半導體制造能力。而要實現這一點，沒有比建造像InchFab這樣的晶圓廠更好、更經濟的方式了。很多國家都在嘗試建造大型的8英寸或12英寸晶圓廠，這需要五年時間才能建成。但如果建造InchFab，他們可以在五年內啟動生產。更重要的是，一旦晶圓廠建成，他們就需要訓練有素的員工來運營。因此，我們為晶圓廠提供培訓課程。這些課程以我曾經在麻省理工學院學習的課程為藍本，但我設計的課程讓學員能夠親自調整所有配方，讓他們自己去犯錯。這才是學習的真諦。

Q：你認為五年后 InchFab 會發展成什么樣子？

Mitchell Hsing：我們真正想做的，是讓制造技術民主化——降低準入門檻，讓每個人都能參與制造，或者至少能參與其中。我認為，目前限制微觀領域創新的，是人們獲得微加工能力的途徑。我敢保證，如果人們擁有這些能力，他們就能想出一些以前從未有人想過的辦法。

（來源：IEEE）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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