Flexibel concept voor mini-waferfabs maakt kleine series chips rendabel

De mini-fabs waaraan een Japans consortium al ruim een decennium werkt, zijn inmiddels te koop. Minimal Fab brengt kleine series chips binnen bereik tegen betaalbare prijzen.

René Raaijmakers
3 april

Een chipfabriek voor pakweg een duizendste van de kosten van een moderne megafab. Dat beeld had de Japanner Shiro Hara voor ogen toen hij kort na de millenniumwisseling een concept voor miniatuur-chipfabrieken bedacht. In 2007 presenteerde hij zijn eerste ideeën voor mini-waferfabs bij het National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) – zeg maar het Japanse TNO.

Ruim tien jaar later is Hara’s idee werkelijkheid: een veertigtal mini-procesmodules zijn beschikbaar voor de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Een ruim kantoor of ruime werkomgeving is toereikend om een ic-productielijn te installeren waarvan het prijskaartje niet in de miljarden loopt, maar slechts in de tientallen miljoenen.

De wafers voor de Minimal Fab zijn zo groot als een munt van twee eurocent.

Marcel Grooten en Matthijs van Kooten van Domicro leerden Shiro Hara kennen in Tokio en Moskou, waar distributeur Tokyo Boeki Group een vestiging heeft. De equipment- en procesingenieurs werkten eerder bij ODME en OTB en herkenden onmiddellijk de kracht van het Minimal Fab-concept. Net als de cd-machines van ODME en de zonnecellijnen van OTB hebben de Minimal Fab-procesmodules geen dure schone ruimte nodig. Het hele fabricageproces, van kale plak tot wafer met werkende chips, draait in een afgesloten omgeving.

Het Domicro-duo overtuigde AIST en Tokyo Boeki (spreek uit: bo-eki) ervan dat Nederland een goede springplank zou zijn om de mini-fab in Europa te introduceren. Om het verhaal kort te maken: bedenker Hara komt aanstaande 14 mei zijn Minimal Fab-concept presenteren bij het Business Cluster Semiconductors op de Novio Tech Campus in Nijmegen.

Sentech Precisiebeurs

Twee eurocent

Onder wetenschappers en technologen hoor je al decennialang de steeds terugkerende ironische tegenstelling: om de onderdelen op chips te verkleinen, zijn almaar grotere en duurdere machine nodig. Het begon met fotorepeaters en oventjes van duizenden dollars die gewoon op een labtafel pasten. Over vier jaar zullen we bij ASML getuige zijn van de alles overtreffende trap: een waferscanner ter grootte van een verplaatsbare bungalow met een prijskaartje van honderden miljoenen euro’s.

De race naar kleinere details op chips heeft vele gevolgen. Voor geavanceerde ic’s zijn kleine series bijvoorbeeld niet kostengunstig te produceren vanwege de exorbitant hoge aanloopkosten. Met zijn mini-fab-concept wil Shiro Hara dat doorbreken. Hij wil series van honderden tot tienduizenden binnen bereik brengen met een kostenplaatje vanaf pakweg twintig euro per chip.

Dat wil hij bereiken door kleine silicium plakjes zo groot als een munt van twee eurocent (0,5 inch, 12,5 mm) rond te sturen in minimal shuttles, afgesloten cassettes. Zie het als een miniatuurvariant van de foup, de transportcontainers met wafers in conventionele fabs. In de minishuttles gaat echter maar één schijfje. Deze transportdoosjes moeten met de hand tussen de procesmodules worden verplaatst.

In totaal zijn er intussen zo’n veertig procesmodules beschikbaar. Voor etsen, oxidatie, opspinnen van fotolak, zeg maar alle processen die je in megafabs ook terugvindt. Maar waar een conventionele ion-implanter, epitaxy-oven en waferstapper nogal kunnen verschillen, hebben ze in het Minimal Fab-concept allemaal dezelfde vorm: een anderhalve meter hoge kast van dertig centimeter breed en 45 centimeter diep.

Minimal shuttles transporteren de wafers stofvrij tussen de procesmodules.

E-beam

De lithografische stap is natuurlijk het meest interessant: die gebeurt maskerloos met een laser die de patronen van 0,5 micron in de fotolak schrijft. Met deze technologie zijn in theorie al enkele honderdduizenden transistoren op een vierkante millimeter te zetten. Niet iedereen heeft immers de 7-nanometertechnologie nodig waarmee TSMC de A12 Bionic-processoren voor de Iphone van Apple maakt. Op de Minimal Fab-roadmap staat elektronenbundellithografie. De eerste e-beamsystemen op 250 nanometer zijn in ontwikkeling en komen nog dit jaar op de markt. De generatie die daarop volgt, moet de details krimpen naar 190 nanometer en kleiner.

Nu werken Belgische en Nederlandse chipdesigners meestal niet aan de geavanceerde technologie die Apple, Intel, Nvidia of Xilinx voor hun chips nodig hebben. Toch kunnen ook hun de aanloopinvesteringen aardig oplopen. Dat is het meest zichtbaar aan de kosten voor de maskersets. Verschillende ontwerpbedrijven in de Benelux maken al designs voor 28 nanometer. Een volledige set voor die technologie kost al snel twee miljoen euro. In oude technologie zoals een kwart micron kan het aanzienlijk goedkoper, maar tel je nog altijd tienduizenden euro’s neer.

Met één maskerset ben je er vaak niet. De aanloop naar massaproductie is vallen en opstaan. Vaak delen chipontwikkelaars eerst een multiprojectwafer waarbij hun design deel uitmaakt van een maskerset die de patronen van vele chips bevat. Pas als die eerste poging werkende dies oplevert – soms na een aantal ontwerpslagen – volgt de stap naar grote series.

De lithomodule van Minimal Fab levert details van 0,5 micrometer.

Eén minuut

Terwijl miljardenfabs een grote load nodig hebben en soms duizenden verschillende chips fabriceren, is de Japanse mini-fab in staat om een ic in korte tijd in duizenden stuks te leveren. Volgens Shiro Hara zijn de kosten honderd euro per vierkante centimeter voor series van honderden tot enkele tientallen euro’s per vierkante centimeter voor tienduizenden stuks.

Dat soort aantallen zijn niet toereikend voor consumentenelektronica, maar in de automotive kom je daar al een heel eind mee. ‘Toyota is niet voor niets een van de leden binnen het consortium dat de Minimal Fab ontwikkelt’, zegt Marcel Grooten. Maar in principe kan ook een klein designbedrijf met slechts één product op een fors kantoor zijn eigen silicium produceren. Het is rendabel om slechts één ontwerp te laten produceren. De procestijd voor elke module is één minuut. ‘Waar je bij een conventionele waferfab maanden moet wachten op silicium, heb ik de chips met een Minimal Fab binnen een week’, zegt Matthijs van Kooten.

Miniaturisatie betekent weliswaar minder output, maar levert ook talrijke voordelen. Zo zijn allerlei procesfactoren veel beter in de hand te houden met een klein substraat. ‘De temperatuur constant houden over een halve inch is veel makkelijker dan voor twaalf inch’, aldus Van Kooten. ‘Hetzelfde geldt voor spinnen en sputteren. Procesbeheersing is op kleine schaal veel makkelijker.’

Nu is chips maken buitengewoon ingewikkeld. Niet alleen de fabriek zelf is logistiek complex, elk processysteem bestaat uit een ingewikkelde mix van chemie, fysica en besturingstechniek. In een etser, epitaxy-oven, chemisch-mechanische polijster of opdamper zitten vaak vele decennia aan ontwikkeling. De sterkte van het concept is dat ontwikkeling van elke procesmodule wordt ingevuld door de meer dan honderdvijftig Japanse specialisten die binnen het Minimal Fab-consortium zijn georganiseerd. Yokogawa integreert de procesmodules en biedt klanten in samenwerking met distributeurs oplossingen zoals de handling-eenheden die op elke module de minimal shuttles openen en na de processtap weer vullen met het wafertje. Tot de andere deelnemers behoren Disco, Koyo, Mitsubishi Electric, Nec, Omron en Ricoh.

Op 14 mei organiseert Domicro in samenwerking met Business Cluster Semiconductors het Minimal Fab-seminar op de Novio Tech Campus in Nijmegen. Inschrijven kan via Eventbrite.