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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 

大幅節省成本 以升級取代購新機

除了透過新材料,還可將目光放到現有的製程設備上。也就是說,半導體進入更新的製程時,通常需要把既有的設備做一次翻新,才能開始量產。對於半導體業者來說,每進入一代製程就要花費極高的成本,業者的負擔也越顯沉重,因此半導體設備商也開始了新業務——升級現有機器以滿足新一代製程所需——如此一來可為半導體客戶省下不少成本,這樣的商業模式預期也將逐漸發酵。

分析半導體業者須改以升級方式節省設備成本的原因,柯林研發(Lam Research)台灣區總經理何幼梅指出,記憶體、晶圓產業過去20年來從20奈米進入到16奈米,再由16奈米進入10奈米,換句話說,一個世代可以「撐」5年再進到下個世代,但現今2~3年就必須投入新一代製程節點,也導致半導體廠商每年都要買新的設備升級生產線。

再者90奈米總是有大大小小的客戶可貢獻營收,因為製程技術成熟且售價相對親民,但65奈米以下的新製程,越往下走,不旦客戶的數量逐漸減少,加上每一套光罩設備的成本支出都相當驚人,因此規模較小的公司可能就會停留在某個製程節點,無力再朝更新製程邁進。若此時,業者將產能利用率較低的設備透過升級的方式能在新製程節點中重複利用,勢必將可省下不少建構新設備的成本,小公司也能聚積新的能量進入下個半導體世代。

透過舊設備升級可省下約20~60%成本,端看廠商升級的程度。事實上,也不是所有的設備都可以升級。何幼梅表示,柯林研發所有出產的設備中有50%可以延續作好幾代製程,且100%可升級,其中有30~40%設備過渡到新製程時需要升級,因此升級的需求將逐漸顯現。更重要的是,為了迎接半導體製造設備升級的業務,柯林研發新一代的產品都已可升級為設計的重要條件,如採用模組化、開放有彈性的基礎架構外,在軟體方面則是自行研發簡單易用,並可持續使用相當多年的產品。

新製程加持 薄膜、蝕刻機台「春天」來了!

今年Semicon展比起台北國際電腦展更顯「熱鬧」,對台灣晶圓代工市場的發展不啻件好事。而隨著NAND、FinFET與多重圖案(Multi-Pattern)等產品與製程技術的進展,對半導體設備供應商來說,也意味著薄膜和蝕刻設備的需求將隨之升溫。

何幼梅表示,觀察未來5年半導體產業的發展,可以發現包括NAND、FinFET與Multi-Pattern等記憶體與製程技術,將是牽動未來半導體生態的轉捩點。而這三個轉捩點也將為半導體設備,尤其是薄膜與蝕刻機台,帶來更多新的市場商機。

NAND、FinFET與Multi-Pattern賦予薄膜與蝕刻製程設備的市場成長契機,何幼梅進一步分析,隨著行動裝置、或物聯網(IoT)相關應用裝置中有越來越多採用NAND記憶體,記憶體業者也開始追求更高階、更有競爭力的NAND產品,也因此NAND堆疊的薄膜層數也日益攀升,以在增加更多容量的同時體積也能更小型化。

據了解,三星(Samsung)現階段已可將NAND堆疊至32層以上,並朝48層邁進,其他記憶體業者也陸續跟進中。而這種薄膜的堆疊即是3D堆疊技術的一種——由於體積不能因堆疊薄膜的層數增加而變大,因此需要使用3D立體的方式進行堆疊。如此一來,3D NAND製造過程中,每疊一層,就需要薄膜設備協助;而要讓每一層薄膜可順利「溝通」,蝕刻技術也必不可少。

FinFET亦是3D堆疊的一種。何幼梅指出,以邏輯電晶體為主的晶片,為了大幅提高晶片內部電晶體數量,但又須顧及晶片尺寸須持續微縮的市場需求,FinFET也越來越受到重視,可以說過去電晶體是2D堆疊的互補式金屬氧化物半導體(CMOS);FinFET則是3D金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。就如同3D NAND,FinFET需要堆疊很多層電晶體,因此每疊一層就需要一層薄膜;也需要使用蝕刻技術蝕刻出孔洞。

最後,MultiPattern的需求會興起是因為EUV製程技術尚未成熟、未能量產,加上成本高昂所致。何幼梅解釋,晶片體積越來越小型化的趨勢使得浸潤式製程技術已面臨極限,然而目前EUV需要到7奈米nm製程才會被業者導入晶片製造過程,因此在EUV可以開始量產前,Multi-Pattern即可順勢補足缺口。

另一方面,10nm製程勢必需要採用多重圖案技術;14~16nm製程則是會少量使用,而多重圖案也將需要薄膜與蝕刻設備的協助。

何幼梅強調,根據市調機構的研究數據,NAND、FinFET與Multi-Pattern未來將可創造30億美元的市場規模,設備商當然不能錯過。現階段,柯林研發在薄膜設備市占率約為30%;蝕刻為50%,未來預計將有4~5%的成長,即是受益於NAND、FinFET與Multi-Pattern的需求發展。

步步為營迎戰先進半導體製程節點


因應先進半導體製程的高良率需求,不起眼的加熱器也需要更高可靠度的設計

半導體製程要朝向更先進節點邁進,除了得靠微影、光罩、薄膜與蝕刻等製程主要設備,由於晶片電路設計更趨複雜,製程的每一個步驟都需要有最嚴格的控制與品質管理,才能確保晶片成品達到客戶要求的良率與性能。

舉例來說,一般很少有人會注意到的半導體製程用加熱器,其實也在其中扮演了一個重要角色;在該領域有數十年經驗的美國業者Heateflex,就特別在今年的Semicon Taiwan發表最新款半導體製程管線用加熱器,以及液體加熱器/混合器產品,訴求可支援14奈米以下先進製程的嚴苛環境。

Heateflex總裁暨執行長Jorge Ramirez表示,半導體製程用加熱器通常隱身在大型機台中,雖然不起眼卻也不可或缺;在晶圓片清洗的程序中,所使用的去離子水就需要經過加熱才能發揮最佳效果,晶圓蝕刻步驟中也需要加熱/混合所使用的化學藥劑。新一代的Heateflex半導體製程用加熱器訴求高效率與高可靠度,能均勻導熱並在短時間內達到所需的溫度,此外其小型化外觀設計則能支援較小空間廠房的應用。

另一家專長半導體生產線所需各種先進材料與製程監控設備、原料運輸設備的業者Entegris則是在Semicon Taiwan發表晶圓清潔/濕式蝕刻等程序所需的最新線性過濾器產品,還有用以監控製程中使用之化學液體濃度與流量控制的解決方案;這些新技術同樣也是針對先進製程節點對高良率的需求,訴求高可靠度與精密度等性能。

同時Entegris也宣佈將擴充在台灣本地的CMP過濾技術解決方案,支援複雜先進製程對降低晶圓污染物質的高標準;該公司台灣區總經理楊陳傑表示,Entegris在去年完成收購先進半導體材料供應商ATMI,並在台灣設置了研發實驗室(Taiwan Technology Center,TTC),目前正積極與本地的半導體製造業者以及大學院校合作,將以最新的技術協助半導體產業突破各種製程挑戰。

作者:Anthea ChuangJudith ChengSusan Hong


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