竞相投入 3D IC/先进制程量产倍道兼行

在各式电子产品迈向低功耗及轻薄设计趋势下，3D IC与28、20奈米等先进制程的发展无疑成为今年台湾国际半导体展会上最受瞩目的焦点，包括晶圆代工厂、封测业者与半导体设备商均已积极展开投入，期加快3D IC与先进制程的量产脚步，从而延伸摩尔定律。
在苹果(Apple)带动智慧行动联网装置热潮的冲击下，更加确立电子产品对于“轻薄”、“低功耗”能力的迫切需求。也因此，对下一代晶片设计而言，为免因主打微型设计而无法兼顾效能的情况，透过矽穿孔(TSV)技术将晶片堆叠成立体形式的三维晶片(3D IC)，已成为既节省占位空间又能不牺牲效能的必经之路。

有鉴于此，2011年台湾国际半导体展(SEMICON Taiwan)的核心议题即锁定3D IC的进展，包括相关的逻辑与记忆体晶片接合标准，以及晶圆代工和封装厂针对矽穿孔技术展开的布局等。除此之外，较特别之处尚有各领域的大型论坛，将发光二极体(LED)、微机电系统(MEMS)、绿色制程材料及设备等热门议题一并纳入展出范畴，吸睛程度更甚以往。

此外，由于台积电、全球晶圆(GlobalFoundries)及三星(Samsung)在28奈米制程的角逐愈趋白热化，明年将相继启动量产，也激励半导体设备业者积极卡位28奈米制程设备商机，并藉SEMICON展出各种设备，亦成为会中一大亮点。

来自设备、材料、晶圆制造、封装测试与整合元件制造等领域的重量级业者齐聚一堂，分别针对产业趋势发表看法。

刺激半导体景气SEMICON聚焦四大亮点

SEMICON Taiwan 2011于9月7日开展，透过聚焦3D IC、MEMS、LED与绿色制程等四大热门议题，期为台湾半导体产业勾勒未来发展蓝图并注入新的成长动能。

图1 SEMI台湾暨东南亚区总裁曹世纶表示，今年SEMICON Taiwan展览摊位已增加至一千两百个，报名参展人数达两万三千人更较去年大幅提升34%。
国际半导体设备材料产业协会(SEMI)台湾暨东南亚区总裁曹世纶(图1)鉴于3D IC、MEMS、LED及绿色制程的议题热烧，SEMICON Taiwan 2011特别针对此四大技术开辟专属论坛，并邀来代表性大厂出任讲师。包括主讲3D IC技术、封装与测试的台积电、日月光和京元电子，以及专攻MEMS的意法半导体(ST)；另外，晶元光电、友达等厂商则分别针对LED及绿色制程发展趋势进行演讲，为期三天的展览共计会有三十二场免费技术论坛带来绝佳观点。

曹世纶强调，纵使今年下半年全球半导体产业因去化库存，致使整体买气低迷，但明年即可望恢复正常的供需状态；加上3D IC如火如荼的进展，MEMS从工业、汽车、医疗蔓延到消费型电子领域，以及LED加速取代传统照明等诸多商机正酝酿成形，势将为台湾半导体产业挹注更多营收。

意法半导体台湾分公司总经理暨大中华与南亚区工业产品事业部副总裁Giuseppe Izzo补充说明，受到苹果iPad与Android平板电脑的需求加持，MEMS元件今年在消费性电子应用市场规模可望成长37%，创下新高。加上车用、医疗及工业市场对MEMS元件的需求也持续攀升，未来MEMS市场的发展仍备受期待。

此外，随着全球具领导地位的半导体、面板和LED大厂皆不约而同倾向在制造源头即导入绿色设计概念(Design for Green Manufacturing)。因此，全球化学材料供应商先进科材(ATMI)亦关注到此一需求而首度参展，揭露该公司在绿色材料上的解决方案，协助业界掌握绿色制程后续推动的关键。

ATMI执行副总裁暨全球微电子事业部总经理Tod Higinbotham认为，客户与产业链协同合作，开诚布公的分享资讯并订出明确的节能目标，才是发展半导体绿色永续解决方案的关键所在。为此，ATMI将绿色化学十二准则及绿色工程十二准则纳入研发过程，将为客户开发新世代绿色制程带来全面性的助益。

行动装置热潮来袭半导体设备/材料需求劲扬

尽管受到欧债、美元贬值与日本311强震的影响，让今年全球半导体产业景气能见度虽扑朔迷离，但在设备及材料方面仍有不错的成长表现。SEMI产业研究资深经理曾瑞榆指出，全球半导体设备市场今年仍将有12%的成长，规模并可冲到443亿美元的史上高点，而2012年仍可维持在430～440亿美元之间，市场热度不减。此外，半导体材料方面，今明两年也将分别达到460亿及476亿美元，可见在行动联网装置掀起一波热潮之下，材料需求力道依然强劲。

曾瑞榆进一步分析，今年上半年全球半导体设备出货金额达240亿美元，台湾所占比重高达24%；而目前来看，2011与2012年全球设备及材料市场前景明朗，台湾在今明两年的半导体材料支出均将超过100亿美元，明年更可望一举超越日本，成为全球最大的材料消费市场。因此，尽早展开3D IC、MEMS、LED及绿色制程的技术布局，将是推升往后台湾半导体发展的重要一步。

加速量产3D IC接合标准年底通关

半导体业者嗅到3D IC导入行动装置的商机，纷纷投入技术研发；然而，要加速量产时程，制定逻辑与记忆体IC接合标准已成首要关键。因此，全球十八家晶片商正透过联合电子装置工程协会(JEDEC)组织委员会研拟标准，其中，日月光也投身该组织卡位3D IC封装商机，在众家大厂戮力推动下，该标准预计于年底定案，将协助3D IC迈开量产脚步。

图2 日月光集团总经理暨研发长唐和明指出，3D IC犹如晶片大楼，如何在既有地基向上搭建与接合仍具挑战，故供应链须通力合作，才能确保各个生产环节顺遂无误。
日月光集团总经理暨研发长唐和明(图2)表示，将处理器、逻辑与记忆体等异质晶片以立体堆叠形式做结合的3D IC，具有整合度高的优势，可大幅推升运算效能，并降低耗电量及印刷电路板(PCB)占位空间，因而成为产业竞相布局的新市场。然而，其设计复杂度却远高于传统晶片，无论是技术及成本的挑战皆多如繁星；其中，最大的问题在于如何接合不同类型的晶片，以及晶圆磨薄后如何精确穿孔和对位，方能打造出有效运作的立体堆叠晶片。

着眼于异质晶片接合标准对推动3D IC的重要性，唐和明透露，目前包括英特尔(Intel)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、三星及尔必达(Elpida)等全球十八家晶片大厂，以及掌握晶片最后一道封装关卡的日月光已组成JEDEC JC 11.2标准委员会，快马加鞭的推动逻辑与记忆体晶片接合的介面标准--Wide I/O Memory Bus，并可望于年底尘埃落定。如此一来，除能透过标准的依循与协助，加快厂商开发时程，促使3D IC尽早展开量产之外，并可进一步以量制价，一并解决目前3D IC生产成本居高不下的问题。[!--empirenews.page--]

另一方面，近期半导体供应链加码投资3D IC开发的现象日益显著，包括台积电、京元电子等晶圆及封测厂均加入竞逐行列，且研发费用较2010年明显增加，对催生3D IC产品亦有推波助澜之效。唐和明指出，乐观来看，3D IC可望于2013年开始大量生产，应可视为3D IC的量产元年；不仅如此，若Wide I/O Memory Bus标准在年底顺利过关，量产时间更可望提早至2012年底。届时，可预见行动装置将掀起一波兼顾高效能与超轻薄外型的产品革命。

虽然3D IC现仍处于试产阶段，且并未导入实体产品设计，不过，其以矽穿孔技术将各种晶片叠合在一起，达成高效能而低耗电的整体表现，已让新一代的行动装置纷纷聚焦此种晶片做为设计腹案。唐和明分析，“轻薄短小”已成行动装置的设计圭臬，让工程师对晶片占位空间与低功耗要求锱铢必较，促使以立体堆叠形式的3D IC渐成未来晶片主流。特别是今年各大市场研究机构频频上修平板电脑及智慧型手机的预估出货量，在此一市场需求推助下，产品设计将持续朝向轻薄化迈进，而要达到此一要求，3D IC将是不可或缺的要素。

除可满足行动装置的设计需求外，高效能、低耗电，占位空间更小的3D IC亦可加速更新颖、划时代的电子产品问世。唐和明强调，未来5～10年，云端运算及物联网(IoT)的时代将全面来临，届时，随时、随地，甚至随“物”均须具备联网能力。如此一来，无论是车用、医疗与生活电子皆须是联网、轻便可携且长时间待机等三种特性兼具的产品，若采用传统形式的晶片势难达成此一目标，也因此，3D IC将是引领电子产品迈向未来的关键。

先进制程慢热台积电转攻3D IC

20和14奈米先进制程的极紫外光微影(EUV)制程与多重电子束(MEB)无光罩微影技术尚未完备，且生产成本仍大幅超出市场预期，量产时程延缓将在所难免。因此，在先进制程技术面临关卡之际，台积电积极锁定3D IC商机，并展开关键的矽穿孔技术布局，以进一步扩大晶圆代工范畴与获利来源。

台积电研发副总经理林本坚表示，台积电一直戮力推升制程技术来维持摩尔定律的步调，目前28奈米采用的光微影制程已可在每个关键层上进行多重曝光(Multiple Patterning)，进而降低成本及提高设计弹性。然而，就台积电原先规画每2年即走入下一代制程的脚步而言，28奈米要在2011年迈开量产步伐已有所延宕。主因在于全球半导体产业在下半年陷入一团景气迷雾，厂商投片意愿趋向保守，故预计28奈米在今年第四季仅可小幅试产，待明年初高通、Altera、赛灵思(Xilinx)及NVIDIA订单陆续到位后才能进入量产。

林本坚也透露，针对20和14奈米先进制程应用的EUV及MEB工具估计在2012～2013年方能完备，目前20奈米晶圆试产仍须透过多重曝光技术，致使成本加剧且效率减半，在2013年步入量产的进度明显落后。再加上14奈米晶圆将以EUV或MEB技术产出仍未做出最终决定，而试产结果每小时曝光量更低于一百片的期望值约十分之一，成本远高于市场可接受度，故原订于2015年启动量产的计划亦难以达成。

在先进制程导入速度不如预期之下，台积电已瞄准3D IC蓄势待发的商机积极抢攻，期藉晶圆厂的整合能力将触角伸及封装领域，并在先进制程尚未到位之际，利用3D立体堆叠设计来延续摩尔定律。

图3 台积电先进模组技术发展资深处长余振华谈及，未来3D IC的设计挑战包括矽穿孔制程、薄晶圆处理与提升已知良裸晶的比率，要进入量产仍有一段长远的路要走。
台积电先进模组技术发展资深处长余振华(图3)指出，行动装置轻薄短小的设计风潮，已带动晶片架构的典范转移，逐步朝System Scaling的立体堆叠形式发展，以提高效能并缩减占位空间；而台积电正积极发展3D IC架构的关键技术--矽穿孔(TSV)，并结合现有的晶圆级封装(WLP)与堆叠式封装(PoP)打造完整的3D IC流程解决方案，进一步瞄准未来行动装置及云端设备对3D IC的殷切需求，抢先卡位市场商机。

值得一提的是，关于3D IC的生产流程须在前端晶圆代工制程进行穿孔，亦或在后端封装厂才执行，仍处在激烈的唇枪舌战中。

余振华认为，在晶圆代工阶段即导入矽穿孔制程，对晶片业者来说较具竞争力，因为晶圆厂对整个晶片设计的掌握度较佳且新投入设备成本较少，能快速完成IC与铜线的立体叠合，藉以满足客户控管生产成本及加快产品上市时程的考量。此外，晶片走入更先进制程后，更薄、更小的体积也将拉高矽穿孔的技术门槛，届时，封装厂势必要投入更多设备，加诸大量成本于产出流程中，将与客户的成本考量背道而驰。

囿于台积电积极拓展业务范畴，亦已引起封装厂对其踩进地盘的疑虑，一场3D IC的竞赛酝酿开打。唐和明也强调，3D IC虽被视为未来晶片发展趋势，但目前整个供应链尚未明朗，预期要到2013年才望导入量产，因此现在讨论封装形式言犹过早。况且3D IC的全新架构带来极大改变，并非仅着眼于前端或后端制程执行矽穿孔，关键在于晶圆代工厂、整合元件制造商(IDM)及封装厂如何创造新的垂直合作关系，简而言之，人人皆可望分一杯羹。

插旗28奈米版图高效率晶圆封装机台抢市

另值得注意的是，随着台积电28奈米订单明年将陆续到位，且全球晶圆及三星也决定针对28奈米高介电金属闸极(HKMG)制程进行合作，并瞄准此一市场需求携手大扩产能。有鉴于此，晶圆封装设备商正紧锣密鼓的部署兼顾更低制造成本、更快生产速度及更高产能的高生产效率机台，以卡位28奈米制程设备商机。

图4 欧瑞康执行长Andreas R. Dill强调，太阳能与LED后势看俏，将为激励半导体产业持续成长的主要动能，欧瑞康相关的解决方案已然到位。
欧瑞康(Oerlikon)执行长Andreas R. Dill(图4)表示，智慧型手机、平板装置等终端产品价格直直落，将加速晶圆代工厂与封装厂导入28奈米制程，以符合消费性电子、个人电脑(PC)等终端装置对于低成本的关键半导体元件要求。

欧瑞康副总裁Albert Koller指出，半导体制程迈入28奈米之后，除将导致污染，以及制程中产生的化学分子落在晶圆的弊病更难消弭之外，客户更在乎的是晶圆封装机台的生产效率，以达成降低生产成本、加快生产速度与提高产能目标。为争取28奈米晶圆封装厂的青睐，继CLUSTERLINE机台之后，欧瑞康将于10月于台湾引进全球首台标榜较前一代CLUSTERLINE机台更低生产成本，且生产速度和产能高两倍的新机种Hexagon，主要供应给国内晶圆封装厂日月光。[!--empirenews.page--]

Hexagon主要系全新的转盘式平台设计，一次可同时进行多片晶圆镀膜的作业，且转盘式的设计降低晶圆在过程中拿取及放置可能造成的破片率。传送晶圆的时间也较原先缩短约三分之二，同时抽气效率提升之下，依照镀膜不同的需求，每小时可处理的晶圆数量倍增。

Koller强调，Hexagon将制程反应室(Process Chamber)改为内嵌式，面积仅有240公分×360公分，总体积比CLUSTERLINE减少50%，由于无尘室空间成本高昂，对于晶圆封装厂而言，可在有限的空间内进行更有弹性的运用，且亦可藉此降低生产成本。此外，针对制程反应室开启模式，欧瑞康亦其由手动改为电动式，减少维修时所耗费的人力，相对提高安全性。

随着日月光、矽品、艾克尔(Amkor)及新科金朋(STATS-ChipPAC)等封装大厂竞相导入28奈米制程，势必垫高进入门槛，已难有新进者进驻市场，Dill认为，观察到28奈米技术挑战加剧，市场不会再有后进者加入，预期在微处理器之后，更多消费性电子产品的关键半导体元件亦将逐渐导入28奈米制程。有鉴于此，2012年28奈米的市场渗透率将会显著攀升，而欧瑞康将持续提供更符合客户需求的机台，以掌握既有的主要客户群。

尽管现阶段半导体产业景气低迷，不过，Dill表示，长远观之，晶圆封装市场产值的衰退幅度较小，尤其在迈入28奈米制程后，过去传统打线的制程将逐渐由晶圆级封装取代，将促使晶圆级封装需求上扬，为欧瑞康有利的市场机会点。