半導體晶片3D 時代的設備商機

前言

半導體市場規模預計將在 2030 年達到一兆美元的里程碑，近年來幾次產業轉型和跳躍階段，包括：1. 汽車晶片市場爆發性成長：隨著自動駕駛技術的快速發展，汽車 IC 市場從 2021 年的 500 億美元規模，預計將在 2030 年擴大至 1,500 億美元，成長幅度達到三倍，每輛智慧車輛所需的半導體數量和價值都在急速攀升；2. AI 處理器需求激增、電晶體密度持續突破、碳化矽功率元件崛起：AI 處理器市場規模預計將從 2023 年的 450 億美元，在 2027 年擴增到 4,000 億美元，成長近 9 倍，增長快速顯示出 AI 應用在各行各業已成為數位轉型的核心動力；3. 電晶體密度持續突破：單一晶片中的電晶體數量預計將從 2023 年的 2,000 億個，增加到 2030 年的 1 兆個，達到五倍的成長，運算能力大幅躍進；4. 在電源管理和先進封裝領域，SiC 功率 IC 從 2022 年的 500 億美元市場規模開始，正在以 31% 的年複合成長率快速擴張，並憑藉其寬能隙、高熱導率、高擊穿場強、優異的熱穩定性和高楊氏模數，已成為 NVIDIA 等大廠關注的創新材料焦點。

隨著半導體技術持續演進，新的元件架構正推動整個產業對設備創新的迫切需求，除了 EUV 微影技術將持續作為最關鍵設備，相關的乾式光阻劑沉積設備，以及 EUV 光源保護膜拆裝、清潔、量檢測設備也隨之發展之外，對 3D DRAM 而言，熱壓鍵合機（thermal compression bonding, TCB）、清潔設備、研磨設備（chemical mechanical planarization, CMP）、剝離設備、測試設備等，是確保 HBM 堆疊架構、電性與可靠性的核心技術；對 3D advanced logic 而言，必須靠原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）、研磨設備和選擇性蝕刻設備搭配新材料，實現創新的奈米線或奈米片結構；對 3D Packaging 而言，機械研磨、清潔技術、混合鍵合設備（hybrid bonding）和光電測試設備，則是推動異質整合和小晶片（chiplet）架構邁向更高密度的互連和更好的散熱性能。

以下分別從製造和量檢測領域切入，觀察國際設備大廠的技術動態，探討我國設備業者在半導體 3D 技術演進的機會和挑戰。

3D 半導體晶片帶動的製造設備技術發展

先進邏輯和記憶體晶片中，更微細的線距線寬仍然仰賴高數值孔徑極紫外光（high-NA EUV）來完成，此外原子層沉積、選擇性蝕刻、清洗設備、研磨設備、熱壓鍵合機、混合鍵合設備、剝離設備等設備，也扮演製造先進晶片的要角。

1. 原子層沉積：

無論是先進半導體高深寬比的溝槽、複雜的鰭式結構、奈米片架構還是多層堆疊的記憶體，原子層沉積都能提供均勻的階梯覆蓋率。單晶圓原子層沉積市場規模將從 2024 年的約 30 億美元增長至 2030 年的 51 ~ 61 億美元，複合年增長率達 9 ~ 13%。ASM 公司是原子層沉積設備市場的領導者，份額超過 55%，2024 年發布 XP8E 機型，整合了用於 2 nm 選擇性沉積流程的清洗（clean / trim H+）、抑制（inhibitor）和沉積步驟，並強調了在大批量生產中部署 AI/ ML 以實現異常檢測、預測性維護和提高首次正確性能 [1]。原子層沉積設備對材料的協調性也是技術關鍵，2025 年 Lam Research ALTUS Halo 是全球第一個使用原子層沉積金屬鉬（Mo）的設備，提供比傳統鎢金屬化多 50% 以上的電阻改善，在微縮尺寸下能提供更快的訊號速度，提升下世代 NAND 產品的 I/O 頻寬和儲存容量 [2]。

2. 選擇性蝕刻：

2 nm GAA 結構中，GAA 使用四面環繞的閘極架構，這意味著閘亟需要從四面八方同時控制蝕刻效率，已成為製程關鍵。在 Lam Research 為 GAA 結構提供的蝕刻解決方案中，即包含選擇性蝕刻機型 Argos，透過亞穩態活化自由基技術，在蝕刻前對晶圓表面進行精確的預處理，為後續的精密原子級蝕刻做好準備。此外，中國新凱來公司和韓國 TES 公司也在選擇性蝕刻設備具備開發能量，其設備主要供應中國和韓國當地半導體企業。

3. 清潔設備：

矽穿孔（through silicon via, TSV）清潔是確保 HBM 良率的關鍵製程，隨著 HBM 堆疊層數增加，TSV 數量變多，清潔製程的重要性更為突出。Zeus 作為三星和 SK 海力士的 TSV 清潔設備供應商，2024 年營收 4,908 億韓元，營業利潤 492 億韓元，營業利潤成長 592% [3]，顯見清洗設備對 HBM 產品去除雜質、改善電性的重要性。

4. 研磨設備：

隨著晶片結構向 GAA 奈米片、HBM 和 3D NAND 堆疊演進，對研磨製程步驟、複雜度和新材料（如 Mo 和 Ru）的需求正顯著增加，加上內埋電源軌（buried power rail）和背面電源（backside power）的引入，研磨設備未來 5 年的年複合增長率約 5.9%。其中 Disco 作為市場領頭羊，市占率約九成，透過極薄化處理、邊緣修整、化學清洗、低損傷研磨、翹曲控制等技術，提升產品的良率與一致性，也大幅提升了生產效率。

5. 熱壓鍵合機：

晶粒就是 HBM。因此各片 DRAM 晶圓的表面處理和鍵合設備都是影響良率的關鍵。熱壓鍵合機負責將多片 DRAM 晶圓垂直堆疊，透過加熱和壓力，將帶有微小凸塊（錫球或銅柱）的 DRAM 晶圓逐層精密連接。主要供應商包括 Besi、ASMPT、K&S、Hanmi、Hanwha、Semes、Shibaura、Shinkawa、Toray 等。關於熱壓鍵合機採購狀況：SK 海力士主要使用來自 Hanmi（市占率 90%，2024 年營業利潤成長 638%）[4]、Hanwha 和 ASMPT 的設備，三星主要採購自 Shinkawa 和其子公司 Semes，美光的設備則來自 Hanmi 等。但是隨著層數愈高，凸塊限制了堆疊密度的進步，HBM5 之後的產品將會改採無凸塊混合鍵合技術進行 DRAM 之間的鍵合。

DOI:10.30256/JIM.202601_(514).0010