半导体先进制程下 设备/材料供应商要求趋势

    半导体先进制程发展持续升温，相关封装、材料及设备需求也跟着水涨船高。为因应先进制程技术发展趋势，半导体业者纷纷祭出新型机台、设备或化学材料解决方案，借以强化自身竞争优势，并抢占庞大的先进制程需求大饼。
 

     2016年Semicon Taiwan展的摊位数量达一千六百个摊位，预估参观人数则上看4.3万人，展会规模将创历年之最。从本次Semicon Taiwan展会盛况可看出，整体而言，半导体产业未来仍具有相当大的发展潜力，特别是10奈米以下先进制程，更是推动半导体材料、设备需求的关键因素。为满足先进制程技术研发需求，半导体业者无不积极推出各式创新产品及解决方案，抢占市场商机。

 

    扇出封装技术向下渗透有谱

 

    扇出封装技术(Fan-out)依旧为本届Semicon Taiwan展的焦点。扇出封装具备超薄、高I/O脚数等优势，是行动应用处理器非常理想的封装技术选择，但其成本较高也是不争的事实。所幸终端产品追求轻薄短小与多功能整合的趋势几乎扩散到电子业内的每个次领域，未来系统封装(SiP)可望成为扇出技术向下渗透的开路先锋。

 

    矽品工程中心资深处长蓝章益表示，目前半导体产品的应用有四大热门领域，分别是网络通讯、智慧型手机、物联网/穿戴式装置与汽车电子。就IC芯片封装的角度来看，除了网络通讯以及汽车动力总成(Powertrain)相关芯片有其特殊需求，在可预见的未来还会走自己的路之外，锁定其他应用领域的芯片都跟手机芯片越来越像。

 

    整体来说，半导体产业的趋势一直是芯片越做越小，但性能跟功能却要不断增加。

 

    从封装的角度来看，这其实是有矛盾的，因为芯片面积缩小后，能够放置I/O的面积也会跟着缩小，但更强的运算效能与多功能整合，却会增加I/O的数量。因此，封装技术势必会遇到I/O密度难以进一步提升的瓶颈，而扇出技术就是解决这个问题的方法。

  

    不过，目前最新的扇出封装技术不只是I/O扩展而已，同时还以高分子聚合物薄膜来取代传统IC封装基板，使封装厚度大幅降低。因此，精确地说，目前业界讨论最热烈的扇出封装，应该称为模塑化合物晶圆级芯片封装(Mold Compound WLCSP, mWLCSP)，其裸晶跟聚合物薄膜外面会有一层黑胶体来保护脆弱的内层结构。

 

    蓝章益指出，为了减少封装厚度而改用高分子聚合物薄膜，对芯片封装制程来说造成很大的挑战，因为裸晶在封装前都会经过研磨，已经相当柔软而脆弱，高分子聚合物薄膜本身又容易翘曲变形，因此可靠度构成相当大的挑战。不过，目前业界已经找到合适的材料与加工方法，可以确保封装可靠度，还可以进一步在薄膜上嵌入被动元件，实现更高的整合度。

 

    整体来说，扇出技术的进展会对整个半导体供应链造成相当大的影响。首当其冲的就是IC载板厂商，因为扇出技术已经不用传统IC载板了;其次则是被动元件业者，为了满足嵌入封装内的需求，相关业者必须进一步把被动元件缩小到微米尺度，而且还要具备足够的容值/阻值，这部分料将牵涉到被动元件材料的研发及突破。

 

    由于导入大量新技术跟新材料，扇出封装虽然有更轻薄短小、可支援更高I/O数量等优势，但成本也会跟着垫高。因此，高阶、高单价，需要大量I/O的芯片，较有机会优先采用扇出封装，例如应用处理器。

 

    然而，对专业封装厂来说，这种机会大多会被晶圆代工厂捷足先登，因此相关业者必须要找出其他具有发展潜力的应用，才能开拓自家的扇出封装业务。而其中最有潜力的就是SiP应用。

 

    蓝章益分析，SiP是高度客制化的封装产品，利润空间较高，因此对封装厂来说，针对SiP客户推广扇出封装业务，投资回收的速度会比较快。另一方面，SiP封装采用扇出技术，能够为客户带来的效益也更明显，例如封装厚度大幅缩减。

 

    因此，SiP对专业封测厂来说，是发展扇出封装业务项目的主要机会所在。这类产品的单价虽不如高阶处理器，但仍有数美元水准，而且客户也比较容易看到扇出技术所能带来的效益，接受度较高。目前矽品已经有扇出SiP专案正在进行中，预计2017年将能开花结果。

 

    SiP封装日益复杂机台设计学问大

 

    承上所述，电子零件微型化与低价化是整个产业持续发展的趋势。为了在更小、更薄的封装尺寸内整合更多功能，封装设备商必须提供更高精度的解决方案给客户，同时还必须设法帮客户提高生产效率，以降低成本。

 

    Kulicke&Soffa(K&S)先进封装事业部门资深产品行销经理Patrick Huberts表示，封装尺寸的微型化是整个封装产业持续面临的挑战。因此，系统封装(SiP)技术在过去几年已经有非常明显的进展，利用嵌入式被动元件(Embedded Passive)技术把被动元件跟裸晶(Die)整合在同一颗芯片封装内的摩臣5注册案例可说比比皆是。

 

    但封装业者并未就此停下脚步，随着扇出型晶圆级封装(FO-WLP)技术取得重大进展，未来芯片封装将不会再使用传统芯片载板，以便进一步缩小芯片封装的厚度。

 

    不过，随着封装厚度越来越薄，许多物理上的问题也跟着开始出现。从封装机台的角度来看，其所处理的被动元件、裸晶等元件的厚度只会越来越薄，同时也变得更加脆弱，在取放时的力道控制必须非常小心，否则元件会因为外力冲击而受损。据统计，在封装过程中导致元件损毁的头号杀手，就是元件取放的力道控制不当，而且有时候这个问题不会立刻浮现，要等到芯片封装进入更后段制程时，才会慢慢被察觉出来。

 

    除了元件变得更薄、更脆弱之外，元件的尺寸也变得越来越小，使得机台在处理这些元件时，必须具备更高的精度。举例来说，未来的嵌入式被动元件尺寸将缩小成0201m，相当于0.25×0.125mm。

 

    上述两大发展趋势对机台的设计是很大的考验，一来元件必须小心翼翼地取放，机械手臂的动作速度不能太快，但又必须设法兼顾机台的吞吐量，否则会拖累生产效率，增加封装业者的生产成本。

 

    为了同时满足小心取放与高速量产的需求，K&S除了运动控制方面下了许多功夫，以便将取放元件的力道控制压低到0.3牛顿(N)，并把贴装精度提高到7微米以下外，还采用平行处理与模组化的概念来开发下一代机台。

 

    满足创新设计旋涂式介电材料受青睐

 

    半导体芯片越做越小，性能跟功能需求不断增加，因应此一趋势，除封装技术须持续精进之外，新材料的需求也日与遽增。默克全球IC材料事业处资深副总裁Rico Wiedenbruch表示，晶体管尺寸不断缩小，使得芯片的效能与功耗得以持续改善，同时也让芯片设计者可以在单一芯片上不断添加更多功能。不过，晶体管越做越小，也带来新的技术挑战，例如填隙与绝缘，就是许多半导体业者所面临的主要挑战，且往往要靠材料技术的创新才能突破。

 

    为此，近年来默克持续加码布局半导体材料市场，并陆续推出一系列完整的半导体制程材料解决方案，以协助半导体业者克服晶体管微缩的技术挑战。其中，旋涂式介电材料因具备许多优异的特性，因此推出后已广获逻辑、记忆体等芯片制造商采用。

 

    旋涂式介电材料(Spin on dielectric, SOD)拥有绝佳的填洞能力及局部平坦化效果，其所形成的薄膜也具备更好的特性。该材料可填进很微小的空隙里，并且能在空隙中形成极薄的绝缘层，不但可提供客户更广的制程操作范围，还可以为客户带来降低设备成本的优势。

 

    除了旋涂式介电材料外，默克还针对其他半导体制程需求开发出专用解决方案，协助顾客面对挑战。其IC材料事业处的其他IC材料产品还包括顶部抗反射材料(TARC)、防塌湿润剂(Rinse)、方向性排列材料(Directed Self Assembly, DSA)、沉积材料(Atomic LayerDeposition, ALD)、导电胶(Conductive Paste)等。

 

    先进制程净化需求增新型清洁溶液亮相

 

    随着现今半导体先进制程愈加复杂，其清洁度、可靠度要求也越来越严苛，特别是在10奈米以下先进制程，更是带动过滤、净化市场需求增加。

 

    看好此一商机，英特格(Entegris)宣布推出适用于半导体制程的新型后化学机械研磨(post-CMP)清洁溶液--PlanarClean AG，此系列产品是专为10奈米以下制程所设计，满足先进制程晶圆清洗需求，且不会损坏高阶薄膜或新材料。

 

    Entegris总裁兼执行长Bertrand Loy指出，先进制程带动高效净化解决方案需求增加，该公司推出新型post-CMP清洁溶液，提供更优质的服务。

 

    Entegris总裁兼执行长Bertrand Loy(图4)表示，半导体制程日益复杂，尺寸也愈来愈小，只要出现任何微小杂质，即便只是一粒灰尘，都可以将产品毁掉。因此，晶圆厂必须导入效能更强的过滤、净化产品，确保半导体晶圆不受污染，才能提升生产良率。

 

    据悉，在先进高阶制程的清洁步骤当中，外露薄膜及材料的数量和类型改变，更凸显出特调清洁溶液的必要性。此外，研磨液颗粒的改变使得许多传统的post-CMP清洁溶液在用于先进制程时，显得效率低落或毫无效果，尤其以前端制程(FEOL)最为明显。这些难题促使半导体制造商开始选择经过特别调配的清洁溶液，舍弃一般标准型清洁溶液。

 

    PlanarClean AG调配溶液符合这些需求，在铜、钴和钨等高阶制程中展现一步到位的优异清洁效果，还能保护底层的薄膜和物质。专利配方有助于提升可靠度和产量、达到零腐蚀及零污染。此外，该溶液也能减少清洁步骤所需的化学品用量，进而发挥降低成本的优势。目前该溶液已经量产上市，并获得多家半导体厂采用。

 

    Loy进一步指出，半导体先进制程致力提升芯片性能及缩小体积，除可靠设计方式实现之外，另一种方式便是选用全新的材料，如三五族化合物。此外，目前元素周期表中，已有超过四十五种元素应用在半导体制程，比过去大幅增加。因此，半导体制程采用新材料，显然是产业发展趋势，对于英特格这类材料供应商而言，市场成长空间也越来越大。

 

    半导体厂设备投资飙高气体安全监测更形重要

 

    另一方面，半导体制程日渐精密，连带使得晶圆厂的软硬体投资金额连年飙高，厂房安全监控的重要性也与日俱增。为了进一步保障厂区作业人员与设备的安全，汉威联合(Honeywell)推出一系列在半导体产业创新的安全检测和个人防护一体化解决方案，可有效协助半导体厂房进行安全监测，并强化企业整体风险管控能力。

 

    Honeywell探测器产品事业处台湾区总经理彭宝展表示，随着半导体制程不断微缩，先进制程所使用的化学气体强度越来越强，甚至导入新气体。然而，半导体制程所使用的气体中，有许多有毒或高易燃性的危险气体，须严密监测方可确保作业人员健康，并协助半导体厂强化风险控管，降低生命财产发生意外损失的风险。

 

    半导体产业安全检测及个人防护解决方案更注重设备的稳定、可靠、精确，因为一旦发生安全事故，将给半导体产业带来无法弥补的人员安全伤害及财产损失，特别是在先进制程设备越来越昂贵的情况下，厂区一旦发生事故，将造成更大的损失。

 

    为满足精确度越来越高的气体侦测需求，汉威联合为半导体产业日常生产环境、晶圆生产区域、实验室等场所设计固定式气体监控系统。如最新升级版的ACM150Plus傅立叶红外线(FTIR)光谱气体监测仪，可检测多达六十个点，检测距离达230公尺，与旧版本相比提供更多采样点，单点成本更低。

 

    彭宝展指出，一般气体侦测器若不够精准，除无法正确侦测出现场气体变化之外，有时还会发生误警报的情况。为提升气体侦测的准确度，ACM150Plus傅立叶红外线光谱气体监测仪采用光谱办别技术。每种气体都有其特定的光谱特性，就像指纹一样，因此这款监测仪的气体侦测准确性相对较高，也不会出现误判或是发出错误警报。

 

    除傅立叶红外线光谱气体监测仪外，汉威联合还具备Vertex化学纸带气体监测仪，可进行ppb(十亿分之一)级别气体检测，当有气体泄漏时，纸带便会变色。

 

    检测点多达七十二个，为用户提供更丰富的布点选择，从而进行更有效的监测;而该产品纸带材料及监测仪上的光学读取头，都是汉威联合的独有材料和技术，竞争对手难以研发出性质相似的产品，使该公司在激烈的市场竞争之中，具备一定的优势。

 

    前后段联手3D化摩尔定律还有好戏唱

 

    小体积高性能的芯片已成必然发展趋势，也使得屹立已久的摩尔定律还能走多远，近年来一直杂音不断。但台湾半导体产业协会理事长卢超群认为，在前段晶体管制程进入3D世代，加上后段封装堆叠技术迭有突破的情况下，晶体管闸极线宽即便无法越做越小，单位面积内的晶体管密度还是可以持续成长，功能整合的脚步也不会停歇。

 

    卢超群指出，近年来摩尔定律能否在合乎投资报酬率的前提下继续发展，一直是半导体业界非常关注的话题。虽然唱衰摩尔定律的声音不断，但是台湾的半导体业者非常努力，在前后段制程都有重大突破，因此摩尔定律将有机会以另一种形式继续走下去。

 

    卢超群指出，在平面晶体管时代，为了实现摩尔定律，每一个新世代的闸极线宽原则上会是前一代的0.7倍。但在3D晶体管世代，线宽微缩的程度可以大幅放缓，一样能达成晶体管密度倍增的 目标。事实上，在几个月后的亚洲固态电路研讨会(ASSCC)上，他将发表一篇论文，预估在3D晶体管世代，每一代制程的线宽微缩系数大概只要在0.85～0.93之间，单位面积的晶体管密度就有机会翻倍。

 

    除了前段晶体管制程外，后段芯片封装技术也迭有突破，为芯片功能整合添加新的动能。包含多芯片封装(MCP)、系统封装(SiP)与晶圆级整合式扇出封装(InFO WLP)等封装技术，都具备在单一芯片封装内实现高度异质整合的能力，让芯片在体积不变的情况下，具备更多元的功能。