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超越摩爾定律 半導體設備與材料扮演關鍵角色

上網時間: 2015年10月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Semicon Taiwan  半導體設備  材料  先進製程  台灣 

做為全球半導體製造重鎮的台灣,向來是半導體設備材料供應商們關注的重要市場;2015年9月,由國際半導體產業協會(SEMI)主辦的年度國際半導體(Semicon Taiwan)展熱鬧登場,今年該展會邁入第二十個年頭,除了聚集全球各大重要半導體廠商,創下展會規模新高紀錄,還邀請到上百位產業界與學界的重量級講師,在多場論壇探討了最新記憶體、半導體材料、MEMS、先進製程、 晶圓級封裝等技術趨勢。

根據SEMI的統計,台灣在2015年與2016年的半導體設備支出將分別超過100億美元,可繼續穩坐全球半導體設備最大市場;而儘管全球宏觀經濟狀況不明朗,使得各大市場研究機構對近期整體半導體產業的成長率預期都偏向低個位數字(2%~3%),半導體設備與材料市場仍持續穩定發展,預期在2015與2016年可分別有3%與4~5%的成長,顯見各家半導體廠商仍持續投資最新技術,也讓人對半導體產業迎來新一波高成長動力充滿期待。


各區域半導體設備市場規模
(來源:SEMI)

比起其他晶片產業部門,半導體設備與材料的世界似乎總是比較安靜的,但在推動製程技術不斷往更細微節點邁進的過程中,它們卻是不可或缺的基礎動力。當半導體產業開始喊出「超越摩爾定律」(More than Moore)的口號,半導體設備與材料則扮演了協助業者突破技術限制的關鍵角色。

技術轉折點仰賴材料創新

隨著半導體製程持續微縮,為了追求最佳的成本效益,材料創新正成為設備商與材料商共同努力的方向。

應用材料集團(Applied Materials)台灣區總裁余定陸在Semicon Taiwan強調,半導體產業的重大技術轉折點(transition)正為業界帶來巨大機會,而這必須仰賴材料創新來實現。

余定陸指出,「特別是在目前下一代EUV微影技術尚未到位,預計要到7奈米後才會上線之際,現階段必須透過材料創新與製程進展來實現目標。」他說,在晶片上做製程就像「造橋舖路」一樣,在確保電路夠穩固可靠後,必須再加上材料工程進行調整,才能為客戶提供實現技術轉折點所需的差異化產品與服務。

而當製程逐漸從微影微縮演進到材料微縮,台灣應用材料公司預計,圖形製作(Patterning)與檢測技術領域將在此看到巨大的成長機會。尤其是在技術進展到10nm以後,電晶體與導線技術更將成為2016年和2017年半導體產業投資的重點,而這也是應材目前的產品開發重點。

由於晶圓代工的良率改善、庫存調整以及機台再利用率提高,今年全球晶圓廠設備(WFE)市場較去年持平,或有下修的風險。不過,應材預計,隨著業界對於DRAM的投資轉強以及2D轉進3D NAND加速進行,明年晶圓代工在10奈米上的發展可望相對樂觀。

隨著行動裝置不斷變得輕薄短小與更低功耗,2D應用越來越難以滿足要求,業界轉進3D NAND的腳步開始加速,預計在今年年底前就會有超過15萬片的月產能,2018年還將達到100萬片的規模,而3D鰭式場效電晶體(FinFET)產能也有50萬片,帶動新一波的設備投資熱潮。


3D NAND預計將在2018年達到100萬片的月產能,提高85%,並隨層數從36層增加到48層,帶來50-70%的市場規模成長
(來源:Applied Materials)

而從市場需求與投資的角度來看,余定陸表示,當技術進展到10奈米後,整體市場規模將再成長20-30%,全球12吋晶圓產能預計將在2018年成長1倍,達到每月50萬片的規模。

「儘管全球半導體產業環境較預期得更冷一點,這個冷度是否持續或持續多久的能見度也不高,」但是,余定陸仍樂觀地表示,「從客戶持續要求先進製程與產能就可以看到市場需求還在那裡。只是面對目前這個手機或行動世代迅速變化的市場,重要的是如何在快速的變化中尋找機會。」

而今年電子產業需求減緩以及半導體產業的景氣低迷,也影響到封測業者的庫存水位。銦泰科技(Indium Corp.)台灣區業務經理范皓為指出,目前材料產品在市場上只有大約1年半的時機,無論是封測廠還是末端客戶,都希望有更新的資源。因此,范皓為強調,「材料商必須保持更高的敏感度,不只是以封測廠為目標,也必須積極尋求與上游IC設計公司合作的機會,從根本上改變對於新材料的認識與使用。」

銦泰科技台灣區技術經理周勝鴻更明白指出,封裝產業如今已經走到純技術與材料的競爭了。「例如在目前流行的系統級封裝(SiP)中整合了CPU、MCU與記憶體等四、五種晶片功能,產生的熱量較以往更大,但每一顆卻都得在越來越小的封裝中實現更有效率的散熱,這就必須仰賴技術與材料的突破與進展了。」

特別是針對車載應用,隨著車內的電子裝置多功能越多,功率輸出越大,元件的發熱量也越來越高,高散熱的金屬材料正成為目前主要的市場需求方向。因此,范皓為表示,各大材料商正積極佈局在一輛車中所會用到的膠材、焊接材料等各種材料創新。除了材料創新以外,製程基板以及各種整合零件等也必須相互配合,他認為目前的發展態勢更像是所有的材料與元件正進行組合以實現相容性搭配的階段。


透過免洗覆晶助焊劑沾浸製程,可將殘留控制在最低,從而提升晶圓封裝的穩定度與可靠性(來源:Indium Corp.)

此外,隨著製程越來越先進,晶片逐漸走向微型化與高接腳數的趨勢,晶圓是否已經清洗乾淨也變得越來越難以確定。開發超低殘留(ULR)與近乎零殘留(NZR)免洗覆晶助焊劑技術已有三、四年時間的銦鈦科技表示,使用ULR/NZR助焊劑的好處是不需要進行清洗,還可防止在水洗製程中產生壓力對晶片造成UBM/凸塊破裂以及提升CUF/MUF底部填充膠的相容性,從而確保在後續封裝時的可靠度與穩定度。據范皓為表示,銦鈦助焊劑系列目前已能達到小於1%的殘留,接下來的目標在於達到完全無殘留。


首德開發可應用於先進半導體封裝製程的高強度超薄玻璃材料

談到封裝材料的創新,來自德國的首德(Schott)在今年Semicon Taiwan展出厚度小於100微米的超薄玻璃;該公司超薄玻璃部門總監Rudiger Sprengard表示,超薄玻璃基板已經獲得半導體產業越來越多採用,設計晶片封裝和做為中介層等應用。

Sprengard進一步介紹,因為玻璃是一種無機材料,與傳統的有機材料相比,能在更寬廣的溫度範圍內保持高尺寸穩定性,以提供晶片封裝所需的平坦度與超薄形狀;以Schott的AF32 eco玻璃為例,由於其熱膨脹係數與矽的熱膨脹係數相當,因此可做為相容於處理器的基礎材料。

台灣首德董事總經理潘世崇則表示,玻璃材料在晶圓級封裝的應用已經有一段時間,例如影像感測器元件,但在最新的3D IC封裝 TSV應用則是還在起步階段,主要的障礙在於玻璃的鑽孔在良率上未能達到水準;而在這方面Schott已經可提供高強度、雷射鑽孔孔徑可達50微米(μm)的超薄玻璃,將持續與半導體業者合作推動玻璃材料在晶片封裝的大量應用。

(下一頁繼續:以升級取代購新機)


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