各區域半導體設備市場規模
（來源：SEMI）
做為全球半導體製造重鎮的台灣，向來是半導體設備與材料供應商們關注的重要市場；2015年9月，由國際半導體產業協會(SEMI)主辦的年度國際半導體(Semicon Taiwan)展熱鬧登場，今年該展會邁入第二十個年頭，除了聚集全球各大重要半導體廠商，創下展會規模新高紀錄，還邀請到上百位產業界與學界的重量級講師，在多場論壇探討了最新記憶體、半導體材料、MEMS、先進製程、 晶圓級封裝等技術趨勢。
根據SEMI的統計，台灣在2015年與2016年的半導體設備支出將分別超過100億美元，可繼續穩坐全球半導體設備最大市場；而儘管全球宏觀經濟狀況不明朗，使得各大市場研究機構對近期整體半導體產業的成長率預期都偏向低個位數字(2%~3%)，半導體設備與材料市場仍持續穩定發展，預期在2015與2016年可分別有3%與4~5%的成長，顯見各家半導體廠商仍持續投資最新技術，也讓人對半導體產業迎來新一波高成長動力充滿期待。
比起其他晶片產業部門，半導體設備與材料的世界似乎總是比較安靜的，但在推動製程技術不斷往更細微節點邁進的過程中，它們卻是不可或缺的基礎動力。當半導體產業開始喊出「超越摩爾定律」(More than Moore)的口號，半導體設備與材料則扮演了協助業者突破技術限制的關鍵角色。
技術轉折點仰賴材料創新
隨著半導體製程持續微縮，為了追求最佳的成本效益，材料創新正成為設備商與材料商共同努力的方向。
應用材料集團(Applied Materials)台灣區總裁余定陸在Semicon Taiwan強調，半導體產業的重大技術轉折點(transition)正為業界帶來巨大機會，而這必須仰賴材料創新來實現。
余定陸指出，「特別是在目前下一代EUV微影技術尚未到位，預計要到7奈米後才會上線之際，現階段必須透過材料創新與製程進展來實現目標。」他說，在晶片上做製程就像「造橋舖路」一樣，在確保電路夠穩固可靠後，必須再加上材料工程進行調整，才能為客戶提供實現技術轉折點所需的差異化產品與服務。
而當製程逐漸從微影微縮演進到材料微縮，台灣應用材料公司預計，圖形製作(Patterning)與檢測技術領域將在此看到巨大的成長機會。尤其是在技術進展到10nm以後，電晶體與導線技術更將成為2016年和2017年半導體產業投資的重點，而這也是應材目前的產品開發重點。
由於晶圓代工的良率改善、庫存調整以及機台再利用率提高，今年全球晶圓廠設備(WFE)市場較去年持平，或有下修的風險。不過，應材預計，隨著業界對於DRAM的投資轉強以及2D轉進3D NAND加速進行，明年晶圓代工在10奈米上的發展可望相對樂觀。
隨著行動裝置不斷變得輕薄短小與更低功耗，2D應用越來越難以滿足要求，業界轉進3D NAND的腳步開始加速，預計在今年年底前就會有超過15萬片的月產能，2018年還將達到100萬片的規模，而3D鰭式場效電晶體(FinFET)產能也有50萬片，帶動新一波的設備投資熱潮。
3D NAND預計將在2018年達到100萬片的月產能，提高85%，並隨層數從36層增加到48層，帶來50-70%的市場規模成長
（來源：Applied Materials）
而從市場需求與投資的角度來看，余定陸表示，當技術進展到10奈米後，整體市場規模將再成長20-30%，全球12吋晶圓產能預計將在2018年成長1倍，達到每月50萬片的規模。
「儘管全球半導體產業環境較預期得更冷一點，這個冷度是否持續或持續多久的能見度也不高，」但是，余定陸仍樂觀地表示，「從客戶持續要求先進製程與產能就可以看到市場需求還在那裡。只是面對目前這個手機或行動世代迅速變化的市場，重要的是如何在快速的變化中尋找機會。」
而今年電子產業需求減緩以及半導體產業的景氣低迷，也影響到封測業者的庫存水位。銦泰科技(Indium Corp.)台灣區業務經理范皓為指出，目前材料產品在市場上只有大約1年半的時機，無論是封測廠還是末端客戶，都希望有更新的資源。因此，范皓為強調，「材料商必須保持更高的敏感度，不只是以封測廠為目標，也必須積極尋求與上游IC設計公司合作的機會，從根本上改變對於新材料的認識與使用。」
銦泰科技台灣區技術經理周勝鴻更明白指出，封裝產業如今已經走到純技術與材料的競爭了。「例如在目前流行的系統級封裝(SiP)中整合了CPU、MCU與記憶體等四、五種晶片功能，產生的熱量較以往更大，但每一顆卻都得在越來越小的封裝中實現更有效率的散熱，這就必須仰賴技術與材料的突破與進展了。」
特別是針對車載應用，隨著車內的電子裝置多功能越多，功率輸出越大，元件的發熱量也越來越高，高散熱的金屬材料正成為目前主要的市場需求方向。因此，范皓為表示，各大材料商正積極佈局在一輛車中所會用到的膠材、焊接材料等各種材料創新。除了材料創新以外，製程基板以及各種整合零件等也必須相互配合，他認為目前的發展態勢更像是所有的材料與元件正進行組合以實現相容性搭配的階段。
 透過免洗覆晶助焊劑沾浸製程，可將殘留控制在最低，從而提升晶圓封裝的穩定度與可靠性（來源：Indium Corp.） |
此外，隨著製程越來越先進，晶片逐漸走向微型化與高接腳數的趨勢，晶圓是否已經清洗乾淨也變得越來越難以確定。開發超低殘留(ULR)與近乎零殘留(NZR)免洗覆晶助焊劑技術已有三、四年時間的銦鈦科技表示，使用ULR/NZR助焊劑的好處是不需要進行清洗，還可防止在水洗製程中產生壓力對晶片造成UBM/凸塊破裂以及提升CUF/MUF底部填充膠的相容性，從而確保在後續封裝時的可靠度與穩定度。據范皓為表示，銦鈦助焊劑系列目前已能達到小於1%的殘留，接下來的目標在於達到完全無殘留。
 首德開發可應用於先進半導體封裝製程的高強度超薄玻璃材料 |
談到封裝材料的創新，來自德國的首德(Schott)在今年Semicon Taiwan展出厚度小於100微米的超薄玻璃；該公司超薄玻璃部門總監Rudiger Sprengard表示，超薄玻璃基板已經獲得半導體產業越來越多採用，設計晶片封裝和做為中介層等應用。
Sprengard進一步介紹，因為玻璃是一種無機材料，與傳統的有機材料相比，能在更寬廣的溫度範圍內保持高尺寸穩定性，以提供晶片封裝所需的平坦度與超薄形狀；以Schott的AF32 eco玻璃為例，由於其熱膨脹係數與矽的熱膨脹係數相當，因此可做為相容於處理器的基礎材料。
台灣首德董事總經理潘世崇則表示，玻璃材料在晶圓級封裝的應用已經有一段時間，例如影像感測器元件，但在最新的3D IC封裝 TSV應用則是還在起步階段，主要的障礙在於玻璃的鑽孔在良率上未能達到水準；而在這方面Schott已經可提供高強度、雷射鑽孔孔徑可達50微米(μm)的超薄玻璃，將持續與半導體業者合作推動玻璃材料在晶片封裝的大量應用。
大幅節省成本 以升級取代購新機
除了透過新材料，還可將目光放到現有的製程設備上。也就是說，半導體進入更新的製程時，通常需要把既有的設備做一次翻新，才能開始量產。對於半導體業者來說，每進入一代製程就要花費極高的成本，業者的負擔也越顯沉重，因此半導體設備商也開始了新業務——升級現有機器以滿足新一代製程所需——如此一來可為半導體客戶省下不少成本，這樣的商業模式預期也將逐漸發酵。
分析半導體業者須改以升級方式節省設備成本的原因，柯林研發(Lam Research)台灣區總經理何幼梅指出，記憶體、晶圓產業過去20年來從20奈米進入到16奈米，再由16奈米進入10奈米，換句話說，一個世代可以「撐」5年再進到下個世代，但現今2~3年就必須投入新一代製程節點，也導致半導體廠商每年都要買新的設備升級生產線。
再者90奈米總是有大大小小的客戶可貢獻營收，因為製程技術成熟且售價相對親民，但65奈米以下的新製程，越往下走，不旦客戶的數量逐漸減少，加上每一套光罩設備的成本支出都相當驚人，因此規模較小的公司可能就會停留在某個製程節點，無力再朝更新製程邁進。若此時，業者將產能利用率較低的設備透過升級的方式能在新製程節點中重複利用，勢必將可省下不少建構新設備的成本，小公司也能聚積新的能量進入下個半導體世代。
透過舊設備升級可省下約20~60%成本，端看廠商升級的程度。事實上，也不是所有的設備都可以升級。何幼梅表示，柯林研發所有出產的設備中有50%可以延續作好幾代製程，且100%可升級，其中有30~40%設備過渡到新製程時需要升級，因此升級的需求將逐漸顯現。更重要的是，為了迎接半導體製造設備升級的業務，柯林研發新一代的產品都已可升級為設計的重要條件，如採用模組化、開放有彈性的基礎架構外，在軟體方面則是自行研發簡單易用，並可持續使用相當多年的產品。
新製程加持 薄膜、蝕刻機台「春天」來了！
今年Semicon展比起台北國際電腦展更顯「熱鬧」，對台灣晶圓代工市場的發展不啻件好事。而隨著NAND、FinFET與多重圖案(Multi-Pattern)等產品與製程技術的進展，對半導體設備供應商來說，也意味著薄膜和蝕刻設備的需求將隨之升溫。
何幼梅表示，觀察未來5年半導體產業的發展，可以發現包括NAND、FinFET與Multi-Pattern等記憶體與製程技術，將是牽動未來半導體生態的轉捩點。而這三個轉捩點也將為半導體設備，尤其是薄膜與蝕刻機台，帶來更多新的市場商機。
NAND、FinFET與Multi-Pattern賦予薄膜與蝕刻製程設備的市場成長契機，何幼梅進一步分析，隨著行動裝置、或物聯網(IoT)相關應用裝置中有越來越多採用NAND記憶體，記憶體業者也開始追求更高階、更有競爭力的NAND產品，也因此NAND堆疊的薄膜層數也日益攀升，以在增加更多容量的同時體積也能更小型化。
據了解，三星(Samsung)現階段已可將NAND堆疊至32層以上，並朝48層邁進，其他記憶體業者也陸續跟進中。而這種薄膜的堆疊即是3D堆疊技術的一種——由於體積不能因堆疊薄膜的層數增加而變大，因此需要使用3D立體的方式進行堆疊。如此一來，3D NAND製造過程中，每疊一層，就需要薄膜設備協助；而要讓每一層薄膜可順利「溝通」，蝕刻技術也必不可少。
FinFET亦是3D堆疊的一種。何幼梅指出，以邏輯電晶體為主的晶片，為了大幅提高晶片內部電晶體數量，但又須顧及晶片尺寸須持續微縮的市場需求，FinFET也越來越受到重視，可以說過去電晶體是2D堆疊的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)；FinFET則是3D金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。就如同3D NAND，FinFET需要堆疊很多層電晶體，因此每疊一層就需要一層薄膜；也需要使用蝕刻技術蝕刻出孔洞。
最後，MultiPattern的需求會興起是因為EUV製程技術尚未成熟、未能量產，加上成本高昂所致。何幼梅解釋，晶片體積越來越小型化的趨勢使得浸潤式製程技術已面臨極限，然而目前EUV需要到7奈米nm製程才會被業者導入晶片製造過程，因此在EUV可以開始量產前，Multi-Pattern即可順勢補足缺口。
另一方面，10nm製程勢必需要採用多重圖案技術；14~16nm製程則是會少量使用，而多重圖案也將需要薄膜與蝕刻設備的協助。
何幼梅強調，根據市調機構的研究數據，NAND、FinFET與Multi-Pattern未來將可創造30億美元的市場規模，設備商當然不能錯過。現階段，柯林研發在薄膜設備市占率約為30%；蝕刻為50%，未來預計將有4~5%的成長，即是受益於NAND、FinFET與Multi-Pattern的需求發展。
步步為營迎戰先進半導體製程節點
 因應先進半導體製程的高良率需求，不起眼的加熱器也需要更高可靠度的設計 |
半導體製程要朝向更先進節點邁進，除了得靠微影、光罩、薄膜與蝕刻等製程主要設備，由於晶片電路設計更趨複雜，製程的每一個步驟都需要有最嚴格的控制與品質管理，才能確保晶片成品達到客戶要求的良率與性能。
舉例來說，一般很少有人會注意到的半導體製程用加熱器，其實也在其中扮演了一個重要角色；在該領域有數十年經驗的美國業者Heateflex，就特別在今年的Semicon Taiwan發表最新款半導體製程管線用加熱器，以及液體加熱器/混合器產品，訴求可支援14奈米以下先進製程的嚴苛環境。
Heateflex總裁暨執行長Jorge Ramirez表示，半導體製程用加熱器通常隱身在大型機台中，雖然不起眼卻也不可或缺；在晶圓片清洗的程序中，所使用的去離子水就需要經過加熱才能發揮最佳效果，晶圓蝕刻步驟中也需要加熱/混合所使用的化學藥劑。新一代的Heateflex半導體製程用加熱器訴求高效率與高可靠度，能均勻導熱並在短時間內達到所需的溫度，此外其小型化外觀設計則能支援較小空間廠房的應用。
另一家專長半導體生產線所需各種先進材料與製程監控設備、原料運輸設備的業者Entegris則是在Semicon Taiwan發表晶圓清潔/濕式蝕刻等程序所需的最新線性過濾器產品，還有用以監控製程中使用之化學液體濃度與流量控制的解決方案；這些新技術同樣也是針對先進製程節點對高良率的需求，訴求高可靠度與精密度等性能。
同時Entegris也宣佈將擴充在台灣本地的CMP過濾技術解決方案，支援複雜先進製程對降低晶圓污染物質的高標準；該公司台灣區總經理楊陳傑表示，Entegris在去年完成收購先進半導體材料供應商ATMI，並在台灣設置了研發實驗室(Taiwan Technology Center，TTC)，目前正積極與本地的半導體製造業者以及大學院校合作，將以最新的技術協助半導體產業突破各種製程挑戰。
作者：Anthea Chuang、Judith Cheng、Susan Hong
資料來源:電子工程專輯
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