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
- 尤嘉禾／台北
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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。
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。
