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手握3D IC獨特清洗技術專利 盛美半導體助台優化先進製程良率

盛美半導體董事長王暉。盛美半導體

中美貿易摩擦正熾與不斷襲來的智慧化浪潮,讓半導體的重要性不斷攀升,即便Covid-19疫情反覆不定,但半導體這兩年仍逆勢上揚,尤其是5BG、伺服器、處理器、記憶體的晶片需求,更帶動了相關設備的成長,中國廠商近期有後來居上之勢,目前全球市佔率已達20%,盛美半導體作為全球半導體設備大廠,長年深耕半導體設備領域,除了提供中國當地半導體大廠相關設備外,也開始著手強化台灣市場的布局,董事長王暉指出,初期將先強化業務能量,未來再進一步擴大其他服務。

獨特技術翻轉半導體設備市場

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盛美半導體臨港研發製造中心設計圖,將於2022年底建成。盛美半導體

盛美半導體張江總部照片。盛美半導體

盛美半導體SAPS單片清洗設備產品。盛美半導體

2005年成立於上海的盛美半導體,是集研發、設計、製造、銷售於一體的半導體設備公司,主要產品包括半導體清洗、電鍍、立式爐管與先進封裝製程設備,晶圓製造客戶包括海力士、華虹半導體、長江存儲、中芯國際、合肥長鑫,先進封裝製程則有長電科技、通富微電、中芯長電、Nepes,半導體晶片製造部分,則有台灣的合晶科技與昇陽國際半導體。

2020年營收超過新台幣42億元,其中清洗設備的營收貢獻為83.69%,王暉透露中國記憶體大廠長江存儲的60k∼90k的記憶體製程,就有45%的清洗設備就是採用該公司產品,由此可見盛美半導體在此領域的技術能力,下一步目標將是50%以上的中國市佔率,至於國際市場,盛美半導體則將透過SAPS、TEBO兩項兆聲波清洗與Tahoe單片槽式組合清洗設備等三大設備創造差異化,這些設備的技術不但都是盛美半導體首創,並且握有專利權,將在新世代半導體製程中佔有巨大優勢。

在介紹盛美半導體的三大技術之前,王暉先解釋清洗設備對半導體的重要性。他指出一般而言半導體製程越精細,所需的清洗程式就越多,20奈米之後的晶圓製程中,有1/3以上的環節均圍繞在清洗設備周圍,部分關鍵製程更是每兩個步驟就須清洗一次,進入14奈米製程後,晶片結構漸趨複雜、線路越來越細小,且結構逐漸走向3D立體化,因此半導體業者對清洗技術的要求也同步提升,若能導入更有效清洗微小顆粒及沾汙的設備,製程良率將可大幅提升,也因此各大半導體設備廠紛紛著手研發新技術,兆聲波就是其一。

擁有三大先進清洗技術專利

兆聲波的好處是可以利用氣泡振盪精準清除2D表面及3D立體空間內顆粒及沾汙,從2000年開始,全球大型半導體設備商紛紛投入研發,不過兆聲波有能量均勻度難以控制與破壞晶片3D結構的問題,因此各設備廠在2010年左右陸續放棄。盛美半導體則是在2008年發明瞭可解決兆聲波均勻度問題的SAPS技術。

SAPS(空間交變相位移)技術是透過兆聲波的交替相位變化,控制發聲器與晶圓的間距,相較於以往的兆聲波設備的固定式發生器,SAPS會在晶圓旋轉時上下往復移動,因此即便晶圓形狀翹曲,各點接仍能接收到均勻的兆聲波能量。

另外SAPS的清洗效率也遠較傳統兆聲波高,不僅不會損傷晶片表面,對平坦晶圓表面和深孔內的微小顆粒去除有卓越表現。在此技術優勢下,盛美半導體在2011年拿下海力士的訂單,將之應用於45奈米製程產線,直到現在17奈米與15奈米製程幾十步工藝上仍使用此設備。

除此之外,繼SAPS之後,2015年盛美半導體解決兆聲波清洗的第二道難題,研發出全球首創的TEBO兆聲波清洗技術。TEBO的中文是「時序能激氣穴震盪」,此技術對晶片的損傷極低,同時也是目前唯一清洗3D IC內部結構線路的兆聲波清洗技術。

王暉表示,半導體製程逐漸逼近物理極限,未來發展先進製程的難度與成本將大幅提升,3D IC成為必然趨勢,不過現在的清洗技術對3D IC結構內的盲孔與溝槽束手無策,以儲存晶片與邏輯晶片為例,儲存晶片從2D進化到3D時,其高深寬比大幅提升,邏輯晶片則是進入FinFET結構,這些立體結構的清洗難度極高,TEBO兆聲波是唯一可清洗的技術,通過控制氣穴的溫度進而避免氣穴內爆,實現3D結構內顆粒的無損傷清洗,盛美半導體則有此技術的專利。

至於Tahoe單片槽式組合清洗設備,則是針對產線的量產需求而設計,這項設備主要應用於光阻劑去除、蝕刻與晶圓平坦化的清洗製程,王暉表示這些製程以往都要使用大量硫酸,處理廢硫酸向來是半導體的棘手難題,美國業者採用掩埋方式,中國、台灣、南韓業者則多數都採用高溫純化,不過這兩者都會影響環境,前者是造成土地汙染,後者則會耗費能源且排放溫室氣體。

過去半導體業者是使用槽式與單片兩者之一的清洗方式,不過槽式清洗難以滿足28奈米以下的製程性能需求,單片清洗的效率雖佳,但需使用大量硫酸,對此盛美半導體將兩者整合,研發出Tahoe單片槽式組合清洗設備,此設備整合了兩種模組,半導體業者可依照不同產品需求選擇槽式或單片清洗方式,不僅效率高,且硫酸用量可節省80%以上。

創新技術提供客戶最大價值

王暉坦言,相較於傳統的清洗設備,盛美半導體先進清洗設備的售價偏高,不過半導體產業著重的整體價值,他以DRAM為例,每十萬片產能的產線需要兩台盛美半導體的清洗設備,設備成本合計約700萬美元,但導入後的製程良率可提升1.5%,換算的利潤為5,000萬∼7,000萬美元,且隨著晶片製程不斷微縮、架構走向複雜化,清洗設備對產線良率的重要性將會快速增加,因此他提醒業者不能只考慮售價,而須從整體價值考量。

除了清洗設備外,盛美半導體的半導體電鍍也有布局,其產品包括前道銅互連電鍍設備與後道先進封裝電鍍設備。王暉表示,為了滿足電動車、5G與射頻等領域的功率、溫度、電流密度與高頻需求,SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)、GaAs(砷化鎵)等化合物半導體成為近年產業焦點,盛美的Ultra ECP GIII電鍍設備可將金(Au)鍍到晶片背面深孔,其電鍍均勻性和階梯覆蓋率可低於3%,同時配備全自動平台,可支援6吋晶圓平邊與V型槽晶圓的批量生產,此外盛美半導體的第二陽極和高速柵板技術,也可讓效能最佳化。目前Ultra ECP GIII電鍍設備已於2021年第3季交貨。

在爐管設備部分,盛美半導體繼2020年推出搭載氧化物、氮化矽(SiN)低壓化學氣相沉積(LPCVD)和合金退火製程功能的立式爐管系列設備後,2021年又有新設備問世。此設備以立式爐管系列設備為基礎,開發出可應用於非摻雜多晶矽沉積、摻雜多晶矽沉積、柵極氧化物沉積、高溫氧化和高溫退火製程等新應用功能。

此設備的獨特控制演算法可穩定控制溫度,大幅提升晶圓製程良率,目前已交貨給客戶,並正進行驗證中,王暉透露,盛美半導體已可進行50%以上的批式熱製程,此外該公司團隊也正著手研發ALD(原子層沉積)立式爐管設備,預計於2022年上半年問世。

完整產品線布局全球

目前盛美半導體的企業總部設置於美國,主要客戶則為中、韓兩國的半導體業者,為提供更周全、快速的服務,已於這兩地設有研發中心。王暉進一步指出半導體設備與其製程緊密嵌合,必須與客戶的製程部門共同調整設備的架構與功能,因此盛美半導體讓研發與生產都在地化,協助客戶儘快解決問題,讓設備可以快速上線使用。

至於服務的客戶類型,現在則聚焦於半導體製造與封測,在封測領域,現在則有清洗、塗膠、去膠、顯影、蝕刻、鍍銅、拋光等全套先進封裝生產線,相較於其他業者多僅有其中一部分,盛美擁有全球半導體產業中最齊全的封裝設備線。近年受到疫情影響,半導體供應鏈各環節都出現缺貨狀況,為滿足市場需求,半導體製造業者積極擴廠提供更龐大的產能,因此2021年全球半導體設備的需求成長50%。

不過由於設備業者在供應機台的同時,也須向上游業者採購零組件,因此也具需求者角色,這波缺貨潮同樣影響到設備商,對此盛美半導體長期與上游供應商緊密合作的效益浮現,零組件缺貨的影響並不大,仍可順利出貨給各地客戶。

另外盛美半導體也著手擴廠,今年先將上海生產基地的面積從1萬平方公尺擴大至1萬5千平方公尺,2022年再擴大至2萬平方公尺,擴充後的年產量將達6.25億美元。另外2022年底另一結合研發與生產的10萬平方公尺基地也將完工,此基地的產能將達15億美元,可滿足全球半導體客戶的設備需求。

王暉希望透過技術與產能兩端的強化,突破目前半導體設備由全球少數幾家大廠寡佔的局面,他指出半導體製程不斷精進,因此客戶端會選擇具有未來性的合作夥伴,透過彼此技術的同步成長,確保未來的競爭優勢,雖然目前半導體業者的設備採購對象仍以歐美品牌為主,不過在清洗設備部分,盛美半導體的市佔率正逐漸攀升,逐漸成為業界的重量級廠商,高盛集團的研究報告就指出,盛美半導體在3D IC獨特的清洗技術將翻轉現有供應鏈局面,未來盛美設備的可服務市場有機會達到100億美元以上。

力助台灣優化先進製程良率

至於在台灣的半導體市場布局,王暉指出台灣在全球半導體產業的地位極其重要,在先進製程與成熟製程都是業界領導者,以台積電為例,台積電雖積極布局全球,但仍有95%的營收來自台灣廠區,另外高盛集團日前的研究報告也指出,2023年全球處理器中,台積電的3奈米製程市佔率將達80%,除了台積電外,聯電、力晶的新產品也將擴大其營收,台灣半導體在未來10年仍將是一片榮景。

王暉透露,已有台灣半導體業的中國廠房,在盛美半導體研發與生產團隊的協助下順利導入清洗設備,且運作成效十分良好,由於目前市場上僅有盛美擁有3D IC清洗技術,而此3D結構又是半導體必走之路,因此雙方未來的合作必然越來越緊密。

接下來盛美半導體計畫將此成功合作經驗輻射回台灣本地市場。現在盛美半導體在台灣僅有業務團隊提供相關服務,王暉計畫先加強業務面的服務能量,未來則視狀況設立研發中心,提供台灣半導體廠商即時服務。

王暉最後表示,投資先進製程設備將是半導體業者維持競爭力的關鍵,觀察全球半導體趨勢,由於Covid-19疫情反覆,實體經濟在短期內無法回復,電商、網路遊戲、影音串流...等零接觸應用仍將大行其道,這些遠距應用對高速運算晶片、記憶體與伺服器的需求將持續攀升,進而推動高效能晶片的問世時程。

因此各大大半導體業者近兩年都大幅增加製程設備的資本支出,強化後疫情時代布局,在先進製程中,TEBO兆聲波清洗將成為下一世代半導體清洗製程的必要關鍵技術,盛美已掌握的熱IPA乾燥及超臨界乾燥專利技術,將可協助台灣半導體業者順利跨入此製程,除了現有技術外,該公司也持續投入大量資源進行各種創新研發,成為半導體客戶擴充產能、提升良率的堅實後盾。

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