半導體與光電產業設備技術專輯主編前言

作者:

黃萌祺

刊登日期:2022/05/30

隨著5G、高速運算、電動車及物聯網等需求快速增加,對半導體晶片需求亦大幅提升,根據美國半導體產業協會(SIA)調查,2021年全球半導體市場全年總銷售額達5559億美元,年成長率達26.2%,IC產品數量與價格皆呈現正成長,2022年半導體產值成長力道雖放緩,但需求仍強勁,預估將成長8.8%。根據工研院產科國際所統計,2021年臺灣半導體產業產值達4.08兆元(約1458億美元),無論IC設計業、半導體製造業、IC封裝與測試業均有雙位數成長,因此國際半導體廠,如:台積電、日月光與欣興等大廠紛紛擴大產能,也帶動半導體設備需求大幅增加。根據國際半導體產業協會報告,2021年全球原始設備製造商(OEM)之半導體製造設備銷售總額,將創下1,030億美元的新紀錄,較2020年710億美元大幅提升44.7%,而2021年臺灣半導體設備產值為1167.7億元,亦創歷史新高,成長幅度達28.7%,預計2022年將持續創下新高,而中國、韓國和臺灣仍是2021年設備支出金額的前三名國家。

受到全球經濟與半導體投資展望持續成長,目前晶圓製程產能仍然吃緊,IC產品仍處於供不應求情形,此外,疫情與中美貿易障礙等因素易導致供應鏈斷鏈問題,故美、日等大國提倡IC晶片在地化生產,要求台積電、三星等大廠到國外設置新廠,減少斷鏈問題。受到疫情影響,無人化與AI需求急遽增加,故5G、高速運算、物聯網等IC晶片需求也快速增長,這些因素都導致IC製造大廠提高產能與設置新廠,使半導體設備需求大增,在地化生產與服務需求也成為未來新趨勢。

由於高頻、高功率半導體元件需求因5G、電動車產業而大幅增長,高效能、低能耗的碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等第三代寬能隙半導體元件需求也逐年增加,化合物半導體占半導體的比重也從1%持續擴大,2021年臺灣化合物半導體產值大約為835億,年增率26.4%,此產值也隨著全球化合物半導體大廠Wolfspeed(原Cree)、II-VI、Rohm等擴增產能亦逐漸增加,每年以約10倍速度擴增產能,且碳化矽基板尺寸也從6吋基板擴大至8吋基板發展,進而使化合物半導體設備不斷推陳出新。

由於未來半導體與電子產業設備需求大幅增加,再加上疫情與中美貿易障礙等因素,因此必須積極發展自主化之半導體與電子設備,本期專輯將針對半導體之先進製造技術與設備進行介紹與說明,我們很榮幸邀請國立臺灣大學電機工程學系蔡坤諭教授針對「新世代奈米微影製程設備發展趨勢與展望」進行介紹,蔡坤諭教授於2000年初曾任職於Intel公司EUV技術研發部門,回台任教後亦協助臺灣投入EUVL技術研發之行列,故對於EUV微影技術具有深厚經驗。推動摩爾定律前進最主要關鍵因素之一為微影技術,半導體製造商仰賴此技術方能將各半導體設計公司所設計之電路佈局圖實現於晶圓上。由於多數材料對於EUVL所使用的13.5奈米波段光源吸收率都相當大,為了提高效率,因此EUVL需要在低真空環境下運作並且光學系統以反射式鏡片取代傳統透鏡,EUVL反射鏡上透過鍍上多層鉬矽薄膜可以在13.5奈米波段下達到接近70%反射率的效能,同時表面粗糙度必須控制在皮米以下,藉由多組反射鏡片,使數值孔徑達解析度所需的0.33,使得最終到達晶圓上的功率只有光源極少部分,因此光源功率一直都是EUVL技術能否量產應用的重要課題之一,此文將針對EUVL技術演進與未來需求進行介紹。

有關半導體產業之先進技術與設備文章介紹如下,「高密度探針卡設計與製造」一文,其中探針卡是應用在積體電路(IC)尚未封裝前,對裸晶以探針(probe)對IC的電氣性能進行測試。現有之探針卡皆使用金屬材料做為探針主體,要將探針之直線間距(in-line pitch)有效縮小至40 μm以下,有實質的困難,此外,即將進入量產的μ-LED亦急需開發高密度pitch 15 μm以下之探針卡以利量產測試。本文提出一種以超薄無機材料製作微懸臂樑無機材複合探針取代傳統金屬探針,由於一般金屬材料的降伏強度較低,其製作成微小懸臂式探針後,懸臂易因探針受力彎曲而導致永久變形。相反地,可撓性超薄無機材料內的原子近似無序排列,其理想降伏強度遠高於金屬,若能製成微小懸臂式探針,可以避免探針因受力變形產生永久變形而失效。本文藉由雷射誘發深蝕刻及黃光微影電鍍技術,製作出懸臂寬度10-20 μm、間距(pitch)20-40 μm之指狀無機材料探針結構,並通過100萬次反覆彎曲試驗,可應用於μ-LED量產測試與次世代IC晶片測試。「高附著性玻璃金屬化之濕式製程技術」一文,玻璃基材是一具有潛力能夠取代矽應用於中介層的材料,因其具備低介電常數與可調式熱膨脹係數,另外製作成本相較於矽低廉且無尺寸上的限制,然而玻璃基材因表面粗糙度極低、化學穩定性佳,故玻璃基材與銅層存在附著性不佳之問題,導致玻璃基材遲遲未被廣泛應用於中介層上。為解決此一難題,本文開發一高附著性玻璃金屬化之濕式製程技術,可取代傳統乾式PVD製程,及傳統濕式表面處理之矽烷化合物表面改質技術。矽烷化合物表面處理技術可於玻璃表面形成自組裝膜,藉由此自組裝膜來連接催化觸媒與玻璃基材,以形成連續銅鍍層,但有許多因素導致自組裝膜發生不同排列行為而間接影響後續催化觸媒的固定,進而影響銅層與玻璃之附著性。本文藉由獨創合成塗料於玻璃上塗佈一附著層並結合濕式金屬化技術,最終玻璃與銅層具有高附著力可達452 gf/cm。此外,本技術也可應用於高深寬比(AR>12)的通孔玻璃中,並且達到均勻且連續的金屬鍍膜。「原子層沉積多成分薄膜填孔與封裝應用」一文,新興相變化記憶體製程朝向多成分薄膜以及高深填孔技術發展,因此急需高深寬比多層數之奈米薄膜沉積技術,以因應高容量、高密度電子元件需求。現有使用物理氣相沉積法沉積薄膜,遭遇高深寬比、多成分精準度及鍍膜均勻性等困難。本文將介紹工研院自行開發之低溫(< 100°C)原子層鍍膜設備,其突破原有平面鍍膜及單一連續前驅物注入方法,採用多成分、脈衝離散注入,以平面樣品測試可觀察到鍍率隨離散循環數增加而提升之趨勢,可推測其改善了空間位阻效應。尤其脈衝離散注入控制方法將前驅物吹掃時間切分成較小的間隔,適合在各步驟間搭配相異的前驅物,在極薄膜層中達到多成分薄膜披覆效果,提高鍍率與膜層緻密性。藉由導入多模態離散注入前驅物質技術,可提升鍍率以及孔隙深入能力,可達到多成分薄膜與高深寬比填孔之產業應用。「原子層沉積法與原子層蝕刻法在光電半導體之應用」一文,隨著半導體節點之縮小,2 nm等級之IC元件急需要高精密材料表面控制技術,具有原子單層與區域控制能力的原子層沉積法與原子層蝕刻法受到廣泛的注意。在本文中將介紹原子層沉積法與原子層蝕刻法的機制,並說明目前主要的原子層沉積法與原子層蝕刻法的相關製程與設備,原子層沉積法亦可應用於光電半導體中之高介電質薄膜、記憶體元件、功率元件、以及太陽能電池技術等應用。「多孔質氣靜壓銑削主軸之軸承性能分析」一文,多孔質氣靜壓銑削主軸可應用於加工光學模具與光電半導體設備的移動平台,本文藉由計算流力軟體分析氣隙厚度及轉速之改變,其對主軸表面壓力及剛性的影響,分析結果顯示:主軸受軸向切削力及重力作用時,止推軸承的推擠主要影響主軸凸緣和前後止推盤間的氣隙壓力,對軸頸軸承氣隙壓力的影響不大,當切削力不變而使氣隙厚度維持定值時,當主軸轉速愈快,主軸表面平均壓力就愈大,主軸剛性也愈高,可藉此應用於高剛性需求之設備主軸。

第三代寬能隙半導體先進技術與應用介紹如下,「大面積大氣電漿改善輪磨加工後碳化矽晶圓翹曲量的先期研究」一文,碳化矽因其超硬、脆性和熱化學穩定性的固有特性,難以進行高效和平滑的加工,故碳化矽晶圓加工成本遠高於Si晶圓,為因應SiC晶圓尺寸的放大,具有高材料移除效率的輪磨製程逐漸成為加工的主流之一。然而,由於塑性變形和斷裂等「應力誘導」現象,研磨過程不可避免地會在晶圓表面下方引入損傷層。本文藉由大氣電漿乾式蝕刻設備去除輪磨加工應力導致的翹曲,實驗結果顯示透過含氟反應氣體添加的大氣電漿處理,能降低輪磨後的SiC晶圓因機械摩擦或熱應力影響產生的應力損傷層,有效的將碳化矽晶圓翹曲量恢復至輪磨加工前。此外,並發展多軸多功能的高剛性全自動複合輪磨機,此設備包含粗磨以及細磨兩模組,並設置電漿應力去除站,降低晶圓輪磨後的翹曲狀況,並利用機器手臂進行各站之串接。「碳化矽裂片技術淺談與其產業應用」一文,碳化矽雖然透過人工合成可以製造,但因在長晶的源頭晶種就要求相當高的純度,且後段加工極其困難,使國內外產業界投入SiC晶圓量產化研究。SiC的硬度僅次於鑽石及碳化硼,因此在切割、研磨時也較為困難,其具有高脆性、低斷裂韌性也使得磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂,從而在材料表面留下破碎層,產生嚴重的表面與亞表層損傷,目前SiC的晶錠切割主要分為砂輪切割、雷射全切割、雷射半切割、雷射隱形切割等加工方法,其中雷射隱形切割整合輔助裂片技術,無論在切割效率與切割品質相較其他技術,有機會滿足未來第三代半導體的大量需求,為目前國際大廠主要發展技術。

本期專輯期望能從半導體與光電技術應用中,挑選突破點與建立技術制高點,並與讀者們一同分享與交流,同時也希望能引起產學研各界之共鳴,大家一起投入發展,讓臺灣半導體與光電相關技術能持續進步與應用,帶動臺灣製造業之發展。

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