SEMI 450mm製程趨勢論壇 揭示18吋晶圓製程標準最新進展

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為了克服製程微縮帶來日益嚴峻的設計複雜度與成本提升，朝向18吋(450mm)晶圓製造邁進已成為半導體產業共同努力的目標。然而，18吋晶圓世代的有效轉型無法一蹴而成，必須有賴業者合作制定規範，並提升生產技術才有可能。
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在今年SEMICON Taiwan期間，SEMI邀請到G450C、英特爾、KLA Tencor、和SUMCO等多家業者討論SEMI的450mm技術專案小組在促進次世代半導體產業發展所做的努力以及最新成果。

+ \' Q1 v7 M/ k+ x) I( H: F SUMCO公司的Kazushige Takaishi介紹了該公司目前450mm晶圓製造的發展方向與現況。他指出，自2011年起，SUMCO便已跟隨SEMI M74、2012~2013年的M76以及2014年的最新M1規範開發450mm晶圓。

目前，不論在平坦度(flatness)和LLS(Localized Light Scattering)方面，都已能滿足M76規範的品質需求。而針對M1規範，平坦度仍需進一步改善，但LLS已能符合。至於最新的無凹槽(notchless)晶圓製造發展，目前仍在進行中，此新製程仍有許多挑戰仍待克服。

全球450mm聯盟(G450C)的Kwangwook Lee則是說明了新的邊緣排除區(Edge Exclusion)提案。他解釋說，所謂邊緣排除區就是無法確保製造產品品質的晶圓邊緣區域。隨著晶圓直徑的增加，邊緣排除區的比例會隨之減少，從8吋晶圓的6.3%，減少至12吋晶圓4.1%，以及18吋晶圓的2.7%。

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SEMI Material Market Data Subscription (MMDS)最新研究報告指出，在全球半導體總營收成長5%的狀況下，2013年全球半導體材料市場總營收為435億美元，相較2012年減少3%。
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. s( y. V. T! @* ^5 `由市場區隔來看，晶圓製造以及封裝材料2013年市場分別為227.6億美元及207億美元，2012年晶圓製造材料市場為234.4億美元，封裝材料市場則達213.6億美元。在矽營收、先進基板，銲線的營收下降影響下，使整體半導體材料市場連續第二年營收下滑。
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$ M/ _0 z  A) Y- \( F+ X& t- R3 U身為全球主要晶圓製造及先進封裝基地，台灣已連續第四年成為半導體材料最大消費國，但去年台灣與北美市場皆持平。受惠於晶圓廠材料的成長實力，中國和歐洲的材料市場在2013年皆成長4%。日本的材料市場下滑12％，同樣在萎縮的市場也包括韓國及其它地區。

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2012-2013 全球半導體材料市場
9 m  p  I; u# v* \# d(單位: 十億美元)

( D/ h0 J1 S3 V( J( ~( u地區 , {% g4 o  B9 G6 U9 t; {) z	2012 : ?" U" e' K! U; g' M$ R" J	2013 6 I1 w/ V2 n; J4 D3 d	% Change $ @/ q1 ?+ x" ~% G, y( p) Y' ^# o4 n
台灣	8.97	8.96	0%
日本 3 Q& K8 p& V- v4 J" u+ ^1 C& s	8.24	7.29	-12%
其他地區 ; C: h8 f7 ~+ h8 P4 ~9 j5 o	7.17	6.76	-6%
南韓	7.22	6.94	-4%
中國	5.50	5.70	4%
北美 2 b1 g: G% ?/ s7 k2 U- _% ^$ g	4.75	4.75	0%
歐洲	2.95	3.07	4%
總和	44.80 8 k5 O6 g- q* F8 @	43.46 3 H5 s( }/ b4 t) Y5 Y	-3% % H: g  ^" z* C! f7 q6 h

7 {. z+ s. G0 I4 H: d* M1 V3 B資料來源: SEMI April 2014

(註: 數值以四捨五入計;「其他地區」包含新加坡、馬來西亞、菲律賓、東南亞及規模較小的全球市場)

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根據SEMI最新公布的年度半導體矽晶圓出貨預測報告，2013年第三季矽晶圓總出貨量較今年第二季微幅下滑。
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: _$ Z$ T1 d# t6 u& B8 G. o第三季矽晶圓出貨面積總計達 2,341 百萬平方英吋(million square inches，MSI)，較上季的 2,390 百萬平方英吋減少 2 %，較去年同期亦減少2 %。
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SEMI產業研究資深經理曾瑞榆表示：「第三季矽晶圓出貨儘管較第二季略為下滑，但從年初到目前為止，與去年前九月矽晶圓出貨量相較仍是穩定持平發展。」

矽晶圓出貨量預測

(單位：百萬平方英吋)

. R& i2 {0 [2 a1 J* r	矽晶片總量*
$ k& ~2 C; b& u   o. V" A* k, ~+ s+ X	2012 年第三季	2013年第二季	2013 年第三季
總計	2,389	2,390	2,341

*以上出貨量僅統計半導體應用，未納入太陽能應用

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本報告統計包括初試晶圓(virgin test wafers)、及晶圓製造商出貨給終端使用者的磊晶圓(epitaxial silicon wafers)等拋光矽晶圓(polished silicon wafers)。

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為了進一步提升安全使用性，陶氏開發了新的電子材料鋼瓶追蹤系統，利用二維碼減少資料輸入錯誤，並以網頁提供即時訊息，能夠依鋼瓶的類型、位置、使用年限、認證與狀態進行監控。此外，在包裝鋼瓶時，陶氏採用100%可回收的材料，以減少廢棄物的產生。

蔡崇玄表示，為了追求綠色製造與永續發展，陶氏秉持著全方位的「供應鏈」作法，與上游和下游相關業者均保持密切的合作關係。設備和材料供應商需瞭解終端使用者的指導原則與目標，才能共同實現綠色製造的目標。
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& n9 B, m3 C2 I; i+ w8 L* x此外，中央大學環境工程學系副教授蕭大智介紹了適用於偵測無塵室空中奈米粒子的下一代裝置。他表示，隨著製程微縮，無塵室空中的奈米粒子對晶圓良率也扮演著越來越重要的角色，因此需要有新的量測與監控技術和裝置來因應未來製程世代的需求。
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蕭大智在演講中說明多種線上監控空中奈米粒子的新技術，包括掃描行動性粒子裝置(SMPS)、差分行動性分析儀(DMA)、光學式粒子計數器(OPC)等，並探討了這些技術的理論、操作方式與使用限制。最後，Air Products全球市場經理Andrew Johnson則是討論了半導體材料的回收與再使用。

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他先介紹了陶氏電子材料部門，去年營業額達21億美元，是全球電子產業的主要材料供應商，全球有超過20個製造與技術中心，員工超過3000名，業務主要涵蓋半導體技術、電子互連技術、顯示器技術與成長型技術。

7 {& Q6 u/ y) g0 F& [# ]$ C陶氏化學可提供的有機金屬前驅物包括三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵/三乙基鎵(TMG/TEG)、三甲基銦(TMI)、二茂鎂(Cp2Mg)、二甲基鋅/二乙基鋅(DMZ/DEZ)、鍺等多種相關材料。

7 N* [! [  o( H$ x" D  h: r+ N# Y* t蔡崇玄表示，在實際的運作上，陶氏可為客戶提供前驅物製造、產品包裝、運送等服務，並在客戶儲存、處理與使用完成後，再提供前驅物移除、鋼瓶清洗、維護、認證與再使用等完整的服務。

' L+ V7 m6 @. I  A3 e' v他指出，為確保安全，陶氏使用的前驅物鋼瓶是依照DOT和UN規範進行製造與維護的，每五年會重新認證一次。鋼瓶的所有權歸陶氏擁有，不能用來安裝其他的化學材料，一旦鋼瓶內的材料用完，就應該交回陶氏以進行充填或其他的適當處置。同時，鋼瓶在運送與返回的過程中，也有許多安全規範須要注意。

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另一款安全性氮氣稀釋減量方案，則可有效減低安全稀釋氮氣所需的量。稀釋是一個耗能的過程，而且氮氣稀釋每立方公尺需耗費0.25kW的功率，使用越多氮氣不僅會增加耗能，也會增加使用減排系統的數量。而Zenith的解決方案能有效降低達九成的氮氣消耗量，對需要使用大量氮氣稀釋的製程每年最高可省下約90%的成本，深具成本效益。

; A7 k$ y- j- K: U針對EUV製程的能源與減碳系統，Jerome Boegner表示，EUV製程面臨了許多減排挑戰，包括製程中包含大量的氫氣，必須嚴密地控制氫氣排放量。而且EUV製程的正常運行時間非常關鍵，減排系統必須隨時就緒。
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對此，Edwards Technologies開發的Atlas系統，可為基於燃燒的減排系列提供了一系列減排系統，並根據各種半導體製程（如CVD和蝕刻）的要求而自訂。他表示，這些系統所需的燃料是上一代減排系統的一半，因此顯著降低了營運成本。Atlas系列的獨特設計，透過經驗證的燃燒減排技術與濕式清洗層級相結合，實現了傑出的減排性能、卓越的粉塵處理能力和抗腐蝕能力。
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+ `" U% F( F% X8 Z陶氏化學確保有機金屬前驅物的安全使用

* c4 `) S" ^7 @# R& T6 m0 v* A陶氏化學公司(The Dow Chemical Company)業務暨營運總監蔡崇玄則是從供應鏈的安全觀點來說明該公司提供的有機金屬前驅物(Metalorganic Precursor)產品與服務。演講主要聚焦於使用有機金屬前驅物的環境與安全議題。特別是，身為供應鏈的重要業者，陶氏化學如何協助客戶提升其安全與環境效益，包括廢棄物減量、包裝、回收、製程安全等。

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利用整合式真空與減排系統實現節能目標
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, G& F: U6 W- F/ z主要的真空與減排技術廠商Edwards Technologies資深產品經理Jerome Boegner介紹了該公司針對半導體蝕刻與CVD製程開發的整合式真空與減排系統，以協助業者實現節能目標。

. V( H7 @& W8 X2 [/ G6 CEdwards旗下有一系列的Zenith真空與減排解決方案。Zenith 採用個別抽氣單元與設備連接，能在異常洩漏時提供最安全以及最經濟高效率的保護，因為與多主機殼相比，它只需一個抽風連接。可提高安全性，與製程工具相容，佔地面積小，並且可降低營運成本。
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1 x9 ?  w# }2 y0 Y0 Y其中Zenith CVD是用於化學氣相沉積製程的一系列特定應用的整合幫浦和清理系統的通用名稱。Zenith CVD 在供貨時帶有一種選擇的廢氣處理機，該模組包括熱處理器單元與熱調節系統。
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Jerome Boegner解釋說，廢氣處理技術的準確選擇取決於CVD製程類型、製程配方以及客戶有關水電可用性、運行成本和廢氣處理性能的要求。與使用獨立廢氣處理機和幫浦送系統的更傳統方法相比，Zenith CVD增強了安全性、確保了工具相容性、極大減少了佔地面積並降低了營運成本，有效實現了節能目標。

6 B% t1 f2 o# P1 N" m! n他指出，在設計時，由於採用較短的排氣管線以及旁路閥靠近排氣幫浦，因此能有效降低功率損耗。與傳統方案相比，Zenith可降低83%的管線熱量，節省約7.5KW的功率，這相當於一年可為業者節省約83%的營運成本。其他優勢還包括安裝成本低，安裝時間短，完全符合美國和國際的電氣和安全標準。

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對此，FÄTH GROUP歷經了九年的開發時間，完成一款獨特的專利Oxide Slurry再生、回收與再利用系統，並已於2012年取得美國專利。他強調，此系統目前已獲得多個晶圓廠的採用，安裝遍佈於德國、法國、美國、日本、馬來西亞等地，目前新加坡的兩座晶圓廠也正在安裝中。
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這套經過驗證的回收系統，證明可以回收半導體晶圓廠產生的廢水氧化研磨液 (Oxide Slurry Wastewater)，並再生達80~85%的研磨液與純水以供重覆使用。不管從降低對環境的衝擊、不影響製程品質與為業者帶來經濟效益等層面來看，此系統都能滿足這些需求。
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/ e% i$ L  A& G) r# I+ `7 n5 N此系統的處理流程，主要是先將所有研磨機的Oxide Slurry廢水排放到到一個大型收集槽中，然後抽吸到前端過濾器中以移除聚結物與其他的廢棄材料。再將前端過濾過的廢水持續流經超濾膜，以將二氧化矽從廢水中分離出來。之後，部分廢水會流到回收槽進行研磨液再濃縮流程，多餘的水分則是送到滲透濾槽以供再利用。
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; {. B% V! A' |' m1 oDaniel S. Kettler表示，經過分析，將回收的氧化研磨液用在晶圓製造時，能達到與採用100%原研磨液相同的品質。除了減少消耗用水與廢水處理的環保效益之，對營運成本的效益也是很顯著的。取決於實際的研磨液消耗情況，其投資報酬率(ROI)通常不到16個月就能達到。特別是對於採用ammonia-based的氧化研磨液業者來說，更能藉此符合各國政府對氨水排放量限制的規範。
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" U7 a4 M8 Q5 V& ?( M! S由於兼顧環保與成本效益，再加上品質不受影響，因此回收、再生與再使用CMP製程的氧化研磨液的觀念已逐漸獲得業者的接受。接下來，FÄTH集團將繼續開發鎢研磨液與二氧化鈰研磨液的回收系統，以提供客戶更完整的研磨液回收需求。

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SEMICON Taiwan綠色製程技術趨勢論壇 貫徹材料安全與製程節能目標  開創產業的永續發展
台積電、中央大學、Air Products、DOW Chemical、Edwards、FÄTH GROUP專家分享原物料安全與製程節能大勢

- O" P$ M! q: E# j, F) {重視節能減碳概念的綠色製程技術，已為全球製造業掀起了巨大的生產技術變革旋風，更已成為攸關業者競爭優勢的重要關鍵。而隨著半導體製程技術的不斷進展，節能省水、廢棄物減量與減排等各種技術與設備也必須日新月異的持續進步。
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在今年的SEMICON Taiwan國際半導體期間，SEMI以「原物料安全與製程節能」為主題舉辦了綠色製程技術論壇，邀請到來自台積電、中央大學、Air Products、DOW Chemical、Edwards、FÄTH GROUP等專家分享最新的未來趨勢及經驗觀點。
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& B: }& l* p; ]6 N/ C+ YOxide Slurry的再生、回收與再利用
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FÄTH GROUP亞太區銷售服務與行銷總監Daniel S. Kettler介紹了CMP製程氧化研磨液(Oxide Slurry)的再生、回收與再利用技術。他指出，自1990年代中期開始，Oxide Slurry研磨就一直是半導體製造CMP製程中的重要步驟。對一間量產的半導體晶圓廠來說，每年會消耗高達150萬公升的CMP氧化研磨液，再加上研磨機用的純水，總共一年要處理高達一億公升的廢棄研磨液，使其成為迫切需要解決的問題。

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但是，可使用的晶圓面積與製造成本息息相關。若能減少1mm的邊緣排除區，意味著能增加18吋晶圓0.9%的可用面積，甚至若能將邊緣排除區降至0，則相當於增加12吋晶圓6.2%的面積。
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根據目前SEMI M1規範，邊緣排除區定義為2mm，但這樣的大小是否能滿足實際需求仍然還有爭議。為了進一步提升成本效益，已有業者試圖將邊緣排除區縮小為1.5mm，甚至朝無排除區的目標邁進。

4 W! m  R( s, ]. y9 m( {Kwangwook Lee表示，將排除區從2mm縮小至1.5mm能夠增加1%的晶片數量，成本效益是很顯著的。雖然須克服矽晶材料、可靠度、CMP邊緣移除一致性等多項製造瓶頸，但從研究結果來看，可行性仍然很高。因此，預計會在今年底以前提出SEMI M1標準的修正提案。

最後，英特爾的Mike Goldstein說明了450mm晶圓規格的挑戰。他回顧了過去半導體產業從6吋陸續移轉到8吋與12吋晶圓的歷程，指出，每一次的世代移轉，業界共同合作與標準制定都扮演著重要角色，對450mm晶圓移轉來說更是如此。
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2 [: o2 t7 Z3 c7 V# T目前G450C正與供應商密切合作，已完成了超過五十個工具平台的開發與測試。下一個階段，各家IC製造商將自行建立試產線，因此接下來，對於自動化系統、量測與生產製程工具的需求將會浮現。他相信，450mm晶圓製造工具將會持續進展，與當初產業朝12吋移轉一樣，終將能滿足業者的實際生產需求。