▲應用材料台灣區總裁余定陸 。（圖／記者蕭文康攝）
記者蕭文康／台北報導
隨著物聯網、人工智慧興起，晶片需求將進一步提高，同時也推動半導體產業成長，預計在2030年產值會突破1兆美元，但在滿足這些晶片需求的同時，晶片製造商也面臨維持創新步伐的重大挑戰，AppliedEnables Day中台灣區總裁余定陸今分享晶片製造商將面臨關鍵技術與策略等5大挑戰。
他說，這些挑戰可從5大層面來闡述，首先是製造技術複雜性（Complexity）提高，製程步驟不斷增加。其次是成本（Cost）提高，前5大晶片製造商、設備製造商每年研發總支出超過600億美元，這些支出需更具效益。第3是研發和生產的節奏（Cadence）變快，開發、商業化所需時間越來越長，必須加速才能因應市場所需。
第4是碳排放（Carbon Emission），從14奈米到2奈米，每個技術節點的碳排放都會加倍成長，如果不採取因應措施，碳排到2030年以前將再增加4倍，兩倍來自產業的成長，另外兩倍來自製程複雜性。第5是大學畢業生（College Graduates）人才緊張，目前接受培訓成為下一代創新者、技術人員和領袖的人才尚不足。產業需要100萬位新鮮人投入，比目前再增加50%。
為因應上述5大挑戰，應材宣布投資數十億美元，成立「設備與製程創新暨商業化（Equipment and Process Innovation and Commercialization, EPIC）」中心（以下簡稱為EPIC中心），攜手晶片製造商、大學和生態系夥伴應對挑戰，以新模式打破傳統孤島，並把半導體產業現行協作過程由串行（serial）轉變為攜手並行（parallel），協助業界將創新技術從概念到商業化的所需時程減少30%，提高商業成功率以及研發投資回報。
應材最近推出Centura Sculpta圖案化系統、Vistara晶圓製造平台，並運用新的混合鍵合與矽穿孔技術精進異質晶片整合能力，透過其在技術上的創新突破性發展，協助晶片製造商解決先進晶片製程日益增加的各項挑戰。
應用材料公司總裁暨執行長蓋瑞．迪克森（Gary Dickerson）表示：「儘管半導體對全球經濟較諸以往更顯至關重要，半導體產業面臨的技術挑戰也變得更加複雜。而這項投資則提供一個重新塑造全球產業合作方式的黃金佳機，為支持能源效率、高速運算的快速精進上，提供所需要的基礎性半導體製程和製造技術。」
關鍵投資計劃「設備與製程創新暨商業化」中心（Equipment and Process Innovation and Commercialization, EPIC）願景，打造一個高速、協作、安全的創新平台，改變新的半導體基礎技術、製程設備的開發和商業化模式，以加快半導體產業的上市時間，降低整體研發成本。
使命；加速定義「未來晶片如何製造」的基礎技術創新與商業化、加速下一代半導體設備的開發和商業化、推動數位生產力工具的開發和採用（模擬和建模、資料分析及機器學習），以改善製造成果、幫助打造未來創新、半導體製造人才培育管道。
亮點；一、應材有史以來最大的基礎建設投資、18萬平方英尺（超過三個美式足球場大小，約16,723平方公尺）最先進的無塵室、未來七年增加資本支出（Incremental Capital Investments）將達到40億美元、營運前10年研發投資將超過250億美元、世界上規模最大的設施、聚焦在半導體製程科技、製造設備研發的協作、預計在2026年初完工、首度把協作模式導入半導體設備領域上游、晶片製造商研發時最廣泛且最先進的設備組合、晶片製造商首度在設備供應商的研發廠房內有專屬空間、強化與大學的連結、大學研究人員可以使用工業規模級設備，並培養半導體產業所需人才、創造新就業機會、矽谷新增2,000個工程職務，而建設期間則雇用1,500個營造相關職位。
創新技術之一Vistara晶圓製造平台，提供晶圓製造商必備的靈活性、智慧功能與永續性，技術說明，Vistara晶圓製造平台的靈活性提供多種反應室類型、尺寸和配置，並可透過開發整合型材料解學方案IMS（Integrated Materials Solution）配方，在真空環境下，於同一系統中完成多個連續的晶圓生產製程步驟。
在智慧功能層面，此平台可運用數千個感測器將大量數據即時傳送到應材的AIx軟體平台，藉由從數千個製程變數所取得的可操作數據，加速開發製程配方。
再者，重新設計的Vistara™平台氣體控制板在永續性上，不僅能減少同等能源消耗量50% 以上，還能優化該平台對能源密集型附屬製造區（Sub-Fab）組件的使用方式，包括泵浦、熱交換器和冷卻系統。新推的EcoTwin生態效率軟體能進一步協助比較替代化學物質、配方和生產技術的碳排放影響性，以持續改善整個製程節點生命週期內的永續性，助力實現永續目標。
關鍵效益
一、具備多種反應室，最多容納六個晶圓批次裝載埠，搭載四至十二個製程室，適應不同工作負載。支援小型至大型室，包括原子層沉積、化學氣相沉積、磊晶和蝕刻等。透過IMS™在單系統完成多連續晶圓步驟，協助創新開發電晶體、記憶體、佈線，提升效能、功率，有效防止微粒和缺陷影響良率。
二、工程師能透過機器學習和人工智慧，加速開發製程配方，優化晶片效能、功率和製程容許範圍（process window）。智慧控制負載鎖定（load locks）最佳化抽排氣時間，減少微粒、缺陷，提高良率。平台機器手臂可自動校準，縮短啟動時間75%，降低人工干預，提高運作率，預測維修需求。
三、透過改善平台對能源密集型附屬製造區（Sub-Fab）組件的使用方式，與過去平台相比能耗降低35％，協助晶片製造商減少範疇一、範疇二碳排放。透過Vistara™平台，每片晶圓還可減少0.58kWh的耗電；此外，減少無塵室佔地面積達30％，基於此可同步減少水泥、鋼鐵等建材使用。助力每月生產10萬片投產晶圓（WSPM）的晶圓廠，節省100公噸碳排放。
創新技術之二採用新的混合鍵合與矽穿孔技術，精進異質晶片整合（Heterogeneous Integration, HI）能力。
技術說明
混合鍵合技術（hybrid bonding）有晶片對晶圓、及晶圓對晶圓的製程形式，主要的目的在形成金屬對金屬以及介電層對介電層的混和界面鍵合。鍵合後的成品可以形成小晶片（chiplet）組合，而組合後的元件能夠作為一體運作。混合鍵合技術在單位空間內可容納更密集的晶片襯墊互連，縮短訊號傳輸的距離，進而提高生產率和功率表現。
矽穿孔（TSV）技術是用於精確連接堆疊晶片的垂直導線，透過在矽晶片中蝕刻溝槽，填充導電材料如銅、多晶矽、鎢等物質，形成功能性連接。再來，透過堆疊、鍵合晶圓與晶粒薄化，實現晶片互連之立體堆疊技術。
關鍵效益
透過異質整合改善PPACt的各面向，包括效能（performance）、功率（power）、單位面積成本（area-cost）和上市時間（time to market）：
一、可增加訊號線密度，縮短元件間互連距離，以提高速度和生產率，同時降低功率耗費
二、可在特定區域內整合更多邏輯、記憶體和特殊晶片，以加速運算
三、可使用較小裸晶，有助提高產出、降低成本
四、相較於單系統晶片，可結合使用成本效益最高的製造節點所製造的晶片組，進一步降低成本
五、可結合已經過驗證的IP和晶片模組，以加快上市時間
創新技術之三Centura Sculpta圖案化系統為EUV雙重圖案化技術提供了更簡單、更快速、更具成本效益的選擇
技術說明
晶片製造商可以轉印單一的EUV圖案，再利用應材突破性的Centura® Sculpta®圖案化系統，在任何選定的方向拉長形狀，以減少特徵之間的空隙並提高圖案的密度。以更少的EUV微影步驟生產高效能的電晶體和內連佈線 （interconnect wiring），進而降低先進晶片製程的成本、複雜性和環境影響性，也消除了雙重圖案化對齊錯誤所帶來的良率風險。
關鍵效益
對於所取代的每個EUV雙重圖案化程序（sequence），Sculpta系統可提供晶片製造商五大效益：
一、每月10萬片初製晶圓（wafer starts）的產能將可節省約2.5億美元的資本成本
二、每片晶圓可節省約50美元的製造成本
三、每片晶圓可節約能源超過15千瓦時（kwh）
四、每片晶圓可直接減少約當0.35公斤以上碳排放
五、每片晶圓可節省約15公升的用水
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