打造全球最小的“晶圆厂”

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前言

Mitchell Hsing在麻省理工学院读研究生时，他和同学们利用芯片行业淘汰下来的设备，从事着一些前沿研究。他当时就想，如果每个人都能拥有自己的小型晶圆厂，用来快速制造原型或小批量生产芯片，那该有多棒啊！于是，他创立了InchFab——一家销售售价500万至1500万美元的集装箱大小洁净室系统的初创公司。这套系统几乎可以完成所有不太先进的晶圆厂能做的事情。InchFab之所以能如此紧凑，是因为它使用的硅晶圆比如今价值数十亿美元的晶圆厂使用的要小得多。更小的晶圆意味着晶圆厂的设备可以做得更小、更便宜。如今，InchFab的客户遍布全球，尤其是在那些计划新建晶圆厂之前，需要培训芯片制造人才的地区。

Q：InchFab 的创意源自何处？

Mitchell Hsing：这实际上源于我们自己在麻省理工学院制造芯片时遇到的问题。麻省理工学院可以说是世界上进行微加工相关研究的最佳机构之一，但我们当时还在使用上世纪80年代的设备，这些设备甚至需要软盘才能运行。

Inchfab的诞生实际上正是源于这种挫败感。当时我在Martin Schmitdt的团队里，我们正在研究如何降低微加工的准入门槛。

解决方案是缩小现有芯片处理设备的尺寸。这样一来，设备的价格也可以相应降低。我和我的联合创始人研究了当一个大型的传统等离子真空室（比如一个50加仑的油桶大小）缩小到一个一升装汽水瓶大小的装置时，物理和化学原理会发生怎样的变化。

Q：您设计的设备所要加工的晶圆尺寸有多小？

Mitchell Hsing：项目最初的名字叫“一英寸晶圆厂”。这不仅仅是个代号，背后是有原因的：步进光刻机（一种常见的光刻工具）的视场大约是一英寸乘一英寸。但我们意识到一英寸晶圆存在很多问题。首先，这种晶圆买不到，必须自己切割，而切割本身就有很多问题。所以我们很快就把尺寸扩大到两英寸，现在我们已经达到了四英寸（约100毫米）。

Q：当处理尺寸小得多的基底时，物理原理是否有所不同？

Mitchell Hsing：主要区别在于等离子切割工具，而决定这些变化的并非基材本身，而是等离子切割腔的尺寸。在等离子切割设备中，有一种叫做护套的结构。它本质上是一层沿着腔壁的等离子体，可以保护机器免受自身损坏。护套的厚度与腔体的表面积成正比。当腔体尺寸缩小时，表面积相对于体积的影响就更加显著。

Q：缩小规模后，有什么事情本身变得更容易了吗？

Mitchell Hsing：有些事情比较容易——比如后端所需的设备，像真空泵、质量流量控制器、阀门等等。控制较小的体积也更容易。

Q：与普通晶圆厂相比，InchFab 能做什么，不能做什么？

Mitchell Hsing：我们的晶圆厂拥有与世界上任何其他晶圆厂相同的工艺能力，包括光刻、计量、干法刻蚀、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积和湿法工艺。基本上，你能想到的工艺，我们可能都有。

我们的主要限制在于光刻技术，包括特征尺寸和速度。特征尺寸与速度成正比，而速度对于生产制造至关重要。在一定的生产规模下，我们可以使用光刻技术实现半微米的特征尺寸。我们甚至可以做到更小的，达到几十纳米。然而，写入速度会慢很多，因为这需要用到电子束光刻或压印光刻技术。

Q：几年前你第一次跟我提起这个想法时，我并不相信它能实现。最初人们对这项计划有哪些反应？你对那些反对者有什么回应？

Mitchell Hsing：是啊，我们还是会遇到反对的声音。主要的反对意见是我们需要使用大尺寸晶圆。他们的论点是：“如果我使用更大的晶圆，我就可以在每片晶圆上制造更多东西。这样一来，每个芯片的价格就会下降。” 如果你能把一座每月生产1万片晶圆的工厂填满，那么这个论点就成立。

但我们已经证明，这种说法并不成立。你需要根据目标市场的需求来选择合适的晶圆尺寸和晶圆厂产能。最终决定芯片价格的是晶圆厂的资本效率和产能利用率。这两者必须匹配，而不是晶圆尺寸。这是我们七年来一直坚持的。很多时候，我们（使用更小的晶圆）在价格上可以与如今的8英寸晶圆代工厂相媲美。

Q：在这种情况下，什么样的客户才能具备价格竞争力？

Mitchell Hsing：这要视情况而定，但总的来说，我们目前服务的最大市场是工业、传感、生物医学、航空航天和国防。我们目前也在拓展其他领域，例如化合物半导体以及与之相关的各种产品和工艺，比如功率和高频射频应用。此外，我们还在关注量子和光子领域。任何需要定制工艺流程或产品产量本身就不高的应用都非常适合我们。

关于我们晶圆厂的用途，我再补充一点。目前，我们业务的很大一部分是人才培养。如今，几乎全世界都希望拥有某种形式的本土半导体制造能力。而要实现这一点，没有比建造像InchFab这样的晶圆厂更好、更经济的方式了。很多国家都在尝试建造大型的8英寸或12英寸晶圆厂，这需要五年时间才能建成。但如果建造InchFab，他们可以在五年内启动生产。更重要的是，一旦晶圆厂建成，他们就需要训练有素的员工来运营。因此，我们为晶圆厂提供培训课程。这些课程以我曾经在麻省理工学院学习的课程为蓝本，但我设计的课程让学员能够亲自调整所有配方，让他们自己去犯错。这才是学习的真谛。

Q：你认为五年后 InchFab 会发展成什么样子？

Mitchell Hsing：我们真正想做的，是让制造技术民主化——降低准入门槛，让每个人都能参与制造，或者至少能参与其中。我认为，目前限制微观领域创新的，是人们获得微加工能力的途径。我敢保证，如果人们拥有这些能力，他们就能想出一些以前从未有人想过的办法。

（来源：IEEE）

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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