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半导体前后段制程发展挑战众多材料/设备厂商携手解难题

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度30票   时间:2017年11月12日 05:56
先进制程发展虽然面临诸多挑战,但在产业链上下游携手合作、众志成城的情况下,却是关关难过关关过。设备与材料商的不断创新,是让半导体制造能够不断向物理极限发动挑战最重要的奥援。

虽然摩尔定律(Moore's Law)已经失效的说法在半导体业界不断被提及,但在本届SEMICON Taiwan展上,完全感觉不到制程微缩的脚步即将告终的氛围。从10纳米一路向下到7纳米、甚至3纳米,都是各家参展厂商所聚焦的重点。

另一方面,由于缺电、缺工的阴影持续垄罩台湾科技产业,半导体产业更是首当其冲,因此厂房电力系统、自动化方案业者,也选在SEMICON Taiwan期间推出对应的解决方案。

KLA-Tencor新系统锁定多重曝光/EUV需求

科磊(KLA-Tencor)针对7纳米以下的逻辑和尖端记忆体设计节点,推出了五款显影成型控制系统,期盼帮助晶片制造商实现多重曝光技术和EUV微影所需的严格制程公差。新系统拓展了KLA-Tencor的多元化量测、检测和资料分析的系统组合,能对制程变化进行识别和纠正。该五款系统包含ATL、SpectraFilm F1、Teron 640e、LMS IPRO7和5D Analyzer X1。

KLA-Tencor全球产品部执行副总裁Ahmad Khan表示,对于7纳米和5纳米制程节点,晶片制造商在生产中找到叠对误差、线宽尺寸不均和热点的根本起因变得越来越困难。除了曝光机的校正之外,客户也在了解不同的光罩和晶圆制程步骤变化会如何影响显影成型。

透过全制造厂范围的开放式量测和检测资料,IC工程师可以对制程问题迅速定位,并且在其发生的位置直接进行管理。KLA-Tencor推出的五款系统,期待能为客户降低由每个晶圆、光罩和制程步骤所导致的显影成型误差。

在IC制造厂内,ATL叠对量测系统和SpectraFilm F1薄膜量测系统可以针对FinFET、DRAM、3D NAND和其他复杂元件结构的制造提供制程表征分析和偏移监控。Teron 640e光罩检测产品系列和LMS IPRO7光罩叠对位准量测系统,可以协助光罩厂开发和鉴定EUV和先进的光学光罩。5DAnalyzer X1高级资料分析系统提供开放架构的基础,以支持晶圆厂量身定制的分析和实时制程控制的应用。

Merck在台增设IC材料中心

全球生医及特用材料大厂默克(Merck)则抢在SEMICON Taiwan展前宣布其位于高雄的亚洲首座积体电路(IC)材料应用研发中心将正式启用,初期投资约1亿元新台币,提供前端原子层沉积(ALD)/化学气相沉积(CVD)之材料与制程开发、半导体封装研发与错误分析等服务,以期协助在地与亚州半导体业者缩短研发时间,尽速投入IC先进制程。

根据Gartner发布的「2026年半导体科技报告」,5纳米制程成本将是目前16/14纳米制程的2.5~3倍,微影制程到10纳米以下已越来越难具备成本效益。有鉴于此,透过系统级封装或3D封装等解决方案持续微缩、降低成本,逐渐成为半导体产业趋势,促使晶片制造/封装相关IC材料市场向上成长。Merck资深副总裁Rico Wiedenbruch表示,在2015至2020年间,晶片制造材料与封装材料市场可望出现3%~4%左右的年复合成长率,销售金额则可分别达到300亿与240亿美元。

Merck台湾区董事长谢志宏表示,台湾在地缘上接近亚洲中心,又是Merck在全球最重要的市场之一,因而促使该公司决定在台扩增IC材料应用中心,借此贴近市场与客户。再者,台湾半导体/面板产业链完整,人才资源充裕,加上政府、业界对矽智财的格外尊重与保护,更是外商得以放心在台投资的主要考量。

此研发中心共设有沉积材料应用实验室,以及半导体封装应用研发实验室。前者因应半导体结构与时俱增的复杂程度,侧重于前端ALD/CVD制程研发,设计/鉴定新型半导体薄膜前驱物,并进一步以先进设备做应用评估;后者则侧重于先进封装方面,包含环保/高导热/高性能烧结材料开发,协助业者加速开发流程、进行错误分析,提供优质的客制化技术服务。

前后段制程不断进化半导体材料与时俱进

另一家半导体材料商Brewer Science也在SEMICON Taiwan期间向台湾半导体业界介绍其针对前后段半导体新制程所研发的新材料。

Brewer Science副技术长James Lamb(图1)表示,半导体产业一方面需要透过先进节点逻辑和记忆体才能提供更高的运算能力,同时也需要利用先进封装技术来实现异质整合。有鉴于此,该公司已投资开发专门材料和制程来满足前后段制程的新需求,包括针对扇出型封装(FO)和3D IC制程的健全暂时性贴合/剥离材料和制程的组合,到用于先进微影制程的EUV和DSA材料。

图1 Brewer Science副技术长James Lamb指出,半导体前后段制程不断进步,对材料的特性需求也跟着越来越高。

台湾的半导体制造产业致力于先进节点微影,以及先进晶圆级封装的高量制造(HVM)。此外,这个地区拥有强大的显示器产业基础设施,因此具备执行面板级进阶封装制程的优势。

有关晶圆和面板级FO架构的讨论,皆着重于系统级封装和异质整合应用的封装领域。焦点在于已应用在生产上将近9年的晶片优先方法,以及目标为更先进架构的RDL优先方法。两者都必须在相同封装中容纳更多晶粒,但这会使得压力增加并造成晶圆弯曲。因此在整个制程中需要暂时性载体支援。此外,虽然专业封装厂还没有正式将FO面板级制程(FO-PLP)推向量产,但每家业者都在朝这个方向努力,因此Brewer Science也已为此做好准备。

这些新的封装制程势必会使用到雷射分离剥离法。该方法适用于RDL优先和FO-PLP 的玻璃基板支援制程。Brewer Science的最新一代剥离材料就是专为雷射分离而设计​​。

至于在前段制程方面,现在最先进的制程节点为10纳米,而且在不久的将来会开始导入极紫外线(EUV)微影制程。Lamb认为,采用EUV已经是挡不住的趋势,因此该公司将在与EUV相辅相成的定向自组装(DSA)材料上大力投资。

让材料自行形成微影图案的DSA是辅助EUV的重要技术。DSA最适合具有多重、重复、普通精细间距特征的装置,无需额外光罩即可达到30纳米特征尺寸。EUV可用于在晶圆上绘制解析度较低的特征,并制作后续DSA沉积的间隔物。

Lamb表示,虽然仍在发展阶段,不过DSA的目标是在两年内准备好进行生产。结合DSA和EUV共同为IDM和代工提供相辅相成的优势,以提升其制造能力。台湾制造商正引领未来,努力不断地扩展融合DSA和EUV的技术。

半导体线宽持续微缩污染物过滤考验大

半导体制程不断微缩,让新一代晶片的性能、功耗得以有更好的表现,但制程微缩却也使得制程中的污染物控制受到更严格的考验。对此,特用材料供应商英特格(Entegris)近期发表Oktolex薄膜技术,其针对各种化学品的需求,强化各种薄膜原本的拦截机制,进而使该薄膜技术得以过滤光化学污染物,目前主要市场锁定在逻辑、DRAM和3D NAND装置的ArF、KrF和EUV光微影技术。

英特格台湾区总经理谢俊安(图2)表示,随着纳米制程的精进与EUV的导入,让半导体的制程变得更为复杂,在控制污染粒子(Particles)方面,也显得更为困难。当半导体制程线宽变得越来越小,原本不会对制程造成影响的污染粒子,如今也必须设法控制,才能确保半导体制造的良率。举例来说,过去英特格仅须控制20纳米大小的污染粒子,但在制程越做越小的情况下,现在英特格必须设法控制10纳米,甚至更细小的污染粒子,因此相对应的技术都必须随之提升。

图2 英特格台湾区总经理谢俊安表示,半导体制程越先进,污染控制的考验也越大。

有鉴于此,英特格近日在SEMICON Taiwan展会上,发表创新的Oktolex薄膜技术,这项技术可应用在先进的使用点光微影技术上。Oktolex革命性的薄膜可针对各种化学品的需求,强化各种薄膜原本的拦截机制,以过滤光化学污染物。Oktolex 薄膜将薄膜特性,与特定污染物的吸收机制作匹配,进而可将薄膜的过滤效能最佳化,且不会与化学品的组成产生不良反应。

因应缺电/缺工危机储能/自动化厂商献策

除了先进制程的挑战外,影响台湾整体产业发展的缺电、缺工问题,半导体产业也无法置身事外。有鉴于此,伊顿(Eaton)与搬运机器人业者赛思托(SESTO Robotics)也在本届SEMICON Taiwan展中,展示为半导体产业打造的解决方案。

伊顿在本届展会中主打双向并网储能应用xStorage、智能电力管理蓝云计画,以及不断电系统搭配锂铁电池的应用等。

伊顿台湾区总经理宫鸿华表示,前阵子和平电厂铁塔倒塌、815停电事件都暴露出台湾电力网路的脆弱性。此外,夏季高温不断,用电量跟着飙高,备转容量率仅剩3%上下,导致台湾时时处于缺电危机当中。如何具备稳定且安全的电力系统成为企业经营的重要课题。伊顿蓝云计画不仅具备UPS备用电力的功能,亦可实现能源储存、双向与多向供电调控,协助企业建构完整的电力能源系统,并利用多电源调控技术达到智能电力管理,达到最高效率与最佳经济效益。

此外,针对伊顿的主力产品不断电系统UPS伊顿也持续研发采用更小、更轻、更环保的锂铁电池于UPS内,不仅具备充电更快速的优势,也大幅降低企业成本。

宫鸿华认为,锂铁电池在各项规格特性方面均明显优于铅酸电池,但过去成本太过高昂,难以大规模应用。不过,锂铁电池最为人诟病的成本问题,将在今明两年获得解决。几家台湾半导体大厂已经开始展开锂铁电池系统导入计画,铅酸电池系统将随着时间逐渐退居二线。

企业正面临能源转型所带来的缺电危机,伊顿将持续提供高效率且可靠的电力能源解决方案,协助企业面对未来的电力挑战。

除了缺电外,缺工问题也考验着台湾的半导体产业。赛思托执行长梁汉清(图3)指出,晶圆产线的作业员其实是一个高度体力劳动,而且相当单调又缺乏发展性工作。

图3 赛思托执行长梁汉清指出,无人搬运车在半导体生产上还有许多应用发挥的空间。

以晶圆搬运为例,虽然先进12吋晶圆厂普遍设有天车运输轨道,大多数晶圆输送都不需要靠人力,但如果是8吋厂或比较旧的厂房,还是要依靠人力来输送晶圆。另一方面,天车运输的建置成本高昂,而且缺乏弹性,若采用天车运输,则产线机台的位置就必须跟着固定下来,不管是要改线或扩充产能,都相当麻烦。

在天车运输无法完全取代人力作业的情况下,很多半导体厂,特别是后段封测厂,还是要依靠作业员推着晶圆推车,在产线内各站到处上下料。这是一个很辛苦的工作,一个作业员一天可能要步行20公里以上,而且工作单调又没有发展前景,因此很多年轻人不愿从事这个工作。

对专精于无人搬运车(AGV)设计的赛思托而言,这是一个很好的发展机会。目前该公司已经推出针对晶圆输送需求设计的解决方案。该方案是由无人搬运车加上山叶(Yamaha)的机器手臂所构成,手臂最大荷重为20公斤。该AGV不仅可满足X、Y、Z轴震动均低于0.5G的半导体产业要求,且透过雷射测距、机器皮肤等技术辅助,可以和人类作业员并肩工作而不会有安全上的疑虑,也不会碰撞到产线上的其他机台。

目前该搬运车已经获得英飞凌(Infineon)等多家国际半导体大厂采用,并且在实际导入的过程中证明其可靠度与耐用性。因此,梁汉清认为,在同样面临缺工问题的台湾半导体产业,这款解决方案也有很大的应用发挥空间。


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