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下世代半導體設備的先進技術探索與趨勢

作者 張雯琪

任職單位: 工研院產科國際所

刊登日期:2025/01/01

摘要

2024年全球半導體設備市場預計將達到1,090億美元,根據國際半導體產業協會(SEMI)的報告,市場增長主要受到AI產業,帶動先進製造、2.5D/3D先進封裝技術、矽光子相關設備發展。隨著智慧製造的強化和國際供應鏈的連結,未來幾年內,半導體設備市場的增長潛力將持續擴大。我國政府將半導體作為國家五大信賴產業之一,力推半導體設備國產化,預計到2028年,實現產值倍增,這將進一步同時也促進在地零組件供應鏈的發展。展望未來,隨著下世代晶片技術不斷演進和市場需求的提升,全球半導體設備市場正朝著更高的里程碑邁進。

Abstract

The global semiconductor equipment market is expected to reach $109 billion in 2024. According to a report from SEMI, this market growth is primarily driven by the AI industry, which is fostering advancements in manufacturing, 2.5D/ 3D advanced packaging technologies, and silicon photonics-related equipment development. As smart manufacturing strengthens and international supply chains become more interconnected, the growth potential of the semiconductor equipment market will continue to expand in the coming years. The government has positioned semiconductors as one of the five trusted industries, promoting domestic production of semiconductor equipment with a goal of doubling output value by 2028. This initiative will further enhance the development of local component supply chains. Looking ahead, as next-generation chip technologies evolve and market demands increase, the global semiconductor equipment market is poised to reach new milestones.

前言

全球半導體設備市場在AI 產業持續發酵過程中,保持穩健成長。2024年全球半導體設備市場估計成長3.0%,達1,095億美元,其中封測設備的成長率是先進製程設備兩倍以上。在前段半導體製程中,市場需求增加的設備主要來自於應用在GAA 晶片生產的高數值孔徑極紫外光(High-NA EUV)、原子層沉積(ALD)、原子層蝕刻(ALE)及量檢測設備;而在先進封裝設備中,則以用於2.5D/3D IC 的鍵合、晶粒挑選、熱處理、平坦化、蝕刻、介電質/ 金屬沉積、電鍍及量檢測設備。先進封裝對於5 奈米以下的AI晶片,目前以CoWoS製程為主,未來3D IC 封裝、晶背電源的設計等,預估將再度引領封裝設備的市場擴張,整體來看,預估2025年,全球半導體設備市場估計再成長16.5%,其中半導體組裝和封裝設備將成長34.9%。

近兩年在AI 產業帶動下,矽光子瞬間成為關鍵熱門議題,相關的製造設備也加速創新步伐,包括電子束微影、雷射內部加工、奈米壓印、奈米封裝與測試設備等。在矽光子領域,工研院也持續扮演產學研合作鏈結的角色,在2018年成立「矽光子積體光電系統量測實驗室」,加入「SEMI矽光子產業聯盟」,並於2024年9月5日工研院攜手臺灣光電暨化合物半導體產業協會(TOSIA),舉辦國際矽光子產業鏈搭橋合作簽署發布會,希望透過矽光子國家隊的能量,加快臺灣矽光子產業發展。

檢視我國半導體設備產業樣貌,持續受到政府支持、國際大廠加碼投資,目前是國內機械設備產業中最大的次產業,也是最大出口品項。未來在技術提升和國際拓銷過程中,將與國際學研和大廠建立更多技術合作,並同時帶動臺灣整體機械產業升級。

下世代半導體先進製程設備

隨著科技的快速發展,下世代半導體晶片持續微縮並且不斷增長的性能需求,必須依賴高數值孔徑極紫外光(high-NA EUV)、原子層沉積(ALD)和原子層蝕刻(ALE)等先進設備來完成。

● High-NA EUV:EUV技術是實現更小晶片特徵尺寸的關鍵,全球唯一供應商為ASML,台積電、Samsung、Intel、SK 海力士和Micron等先進晶圓廠均為其客戶。隨著晶片設計向2nm 及以下推進,這些先進晶圓廠需要更多曝光步驟來完成晶片製作,也需要採購更多的EUV 設備。2024年ASML 銷售給台積電用於2nm 晶片製造的EUV共16台(約2,800 百萬歐元),預估2025年將再出貨38台(約6,650 百萬歐元)。

在晶片製造過程中,部份非常細微的結構,需用到重複曝光,然而這會增加時間和生產成本。為解決這個議題,ASML 推出更高解析度的high-NA EUV(NA 0.55),採用新的非球面透鏡,可產生更高的對比度影像,將光子精確地聚焦在需要的位置,同時晶圓載物台和掩模載物台的加速度分別提升了2倍和4倍 ,縮短曝光時間,進而提升產能。

雖然high-NA EUV 的售價約為3.8億美元,是前一代EUV 的2 倍,但high-NA EUV可將需要EUV重複曝光的步驟,用一次曝光即可完成。因此估計對於1nm以下的晶片,使用high-NA EUV進行單次曝光的生產成本(Litho cost per wafer),已可小於使用low-NA EUV重複曝光。

● 原子層沉積(ALD):目前半導體領導廠商已經將GAA 結構視為下世代電晶體主流結構。GAA 結構的優點在於,全包覆閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力,能夠降低操作電壓、減少漏電流,降低功耗與操作溫度。GAA的沉積過程,需使用ALD 來達到階梯覆蓋,由ALD沉積的薄膜品質,才能符合下世代晶片對均勻性、平坦度、緻密性、階覆蓋性等要求,因此ALD在GAA 的製程將日益關鍵。ALD 依氣體控制方式分為spatial 與temporal 兩種。目前ALD 設備商中,開發量產機台的供應商有ASM、AMAT、TEL、Lam research;用於研發的機種供應商有Beneq、Oxford、Sentech、Veeco/ Ultratech。

全球最大ALD 設備供應商是ASM,大約占全球ALD 設備55% 的市場份額,但是近幾年ALD 設備商進度加快,包括韓國Jusung Engineering 和CN1,中國盛美半導體設備(上海)、北方華創、拓荊科技和思銳智能,而臺灣在ALD設備供應商則以天虹為代表。

ALD 是下世代晶片製造技術的關鍵設備,2024~2029年CAGR 值高達17.02% (CVD:5.9%),反映ALD 在半導體前段製程設備中,具有解決傳統技術瓶頸的優勢和潛力。而美國工業和安全局(BIS)出口管制分類號ECCN 3E905 發布:向某些國家出口、再出口或轉移「開發」或「生產」GAA 結構所需的「技術」和「裝置」,包括部份ALD 和ALE,均需要許可證,由此可知ALD 設備在半導體產業的重要性。

 

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