臺灣半導體產業有護國神山之稱,面對來自全球的頂尖對決,產業須持續創新研發,才能保持領先地位。工研院「高效雙模態原子層鍍膜系統」首創雙模態原子層鍍膜,透過腔體設計整合多道鍍膜製程,並提供可視化與模擬工具,提升半導體先進製程良率,獲2023年全球百大科技研發獎。
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半導體完美鍍膜最佳解方

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行事曆icon 2023/11/22
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工研院「高效雙模態原子層鍍膜系統」首創雙模態原子層鍍膜,提升半導體先進製程良率,榮獲2023年全球百大科技研發獎肯定。

工研院「高效雙模態原子層鍍膜系統」首創雙模態原子層鍍膜,提升半導體先進製程良率,榮獲2023年全球百大科技研發獎肯定。


撰文/賴宛靖

臺灣半導體產業有護國神山之稱,面對來自全球的頂尖對決,產業須持續創新研發,才能保持領先地位。工研院「高效雙模態原子層鍍膜系統」首創雙模態原子層鍍膜,透過腔體設計整合多道鍍膜製程,並提供可視化與模擬工具,提升半導體先進製程良率,獲2023年全球百大科技研發獎。

想像一下,能把牆壁粉刷得均勻平整,已經是師傅等級;幫公仔上色,毫米等級的睫毛、獸毛等細節都不放過,堪稱手藝了得;如果要在頭髮萬分之一的3D晶片上鍍上薄膜,就連晶片上多道宛如深井的溝槽,也要求均勻覆蓋,怎麼辦到?

電子產品發展越來越輕薄精巧,對半導體元件材料與尺寸要求已達原子級水準,然而體積縮小了,功能卻需更強大,往高密度、高容量發展,可說是大勢所趨。為了在更小的空間裡「塞」進更多功能,元件結構朝3D垂直結構、高深寬比(10:1)發展,對半導體製程中的鍍膜工序是極其嚴苛的挑戰。

半導體鍍膜製程是晶圓加工的基礎。晶圓製造完成後,首先會在晶圓表面鍍上薄膜,依據發光、導電或保護等不同需求,這層薄膜可以是氮化鎵、砷化鎵、氮化銦鎵、二氧化矽、氮化矽等化合物材料,後續再進行微影、蝕刻製程。鍍膜少則2、3層,多則10多層,薄膜的覆蓋率與均勻性,都會影響良率。


All in One腔體設計 有效提升品質效率

工研院機械與機電系統研究所副組長王慶鈞說明,傳統物理(PVD)或化學氣相沈積(CVD)鍍膜製程,在簡單的半導體元件上還有辦法達到均勻,厚度約微米級別即可;但面對體積小、高深寬比的複雜結構,鍍膜需至奈米級別,同時還得確保高深寬比結構中,每個角落都能完美成形,稍有閃失就會導致元件性能下降、壽命減短。此外,傳統製程的枚葉式腔體易因變換製程腔體,導致薄膜氧化,傳統鍍膜製程得更換不同設備,還要反覆進行抽真空和破真空等操作,增加氣體交互污染的機會。

工研院的高效雙模態原子層鍍膜(Head-Matrix ALD+)系統,可支援奈米級薄膜,同時滿足高深寬比、多成分均勻、薄膜精準披覆等先進製程需求,其中最獨特之處在於「All in One」的腔體設計,將多道鍍膜製程整合在一起,打破過去需轉換多種設備的情況,有效減少製程中的傳輸污染,提高鍍膜品質和生產效率。


模擬分析APP 快速取得最佳參數解

除了改善硬體設計,工研院團隊也開發模擬分析的解決方案,讓鍍膜設備從過去只能試錯,獲取最佳參數組合的「黑盒子」,變成看得見、能預測,能「完美複製最佳解」的設備。

實務上每導入新的鍍膜製程,都得實際做出來,再多次微調找出最佳參數,浪費成本、時間。團隊以理論和真實數據為基礎,建立「智慧多重物理耦合模擬與預測品質系統」APP,模擬在不同參數下,對應的薄膜品質,工程師只要輸入不同參數組合,就能預先知道結果,大幅縮短調整和試錯時間。「這對開發新產品特別有幫助,以後找參數就不用大海撈針,」王慶鈞說。

王慶鈞特別提到,建立模擬分析模型的過程中,一般都得「餵」大數據給系統,透過AI來分析,但因半導體製程極為機密,取得數據有限。為突破此關卡,團隊打造接近真實的鍍膜設備腔體,運用「流場可視化」和「電漿診斷技術」,以實際量測數據,回饋修正模擬計算結果,使預測更加精準。「驗證模擬結果,發現我們的系統有90%以上的準確度,」王慶鈞說。


半導體節能減碳新選擇

王慶鈞指出,這項模擬技術不僅讓製程更精準,也因多道製程合一,機台數量減少、廠房占用面積縮小,用電量降低,是半導體大廠節能減碳的新選擇,符合2050淨零排放目標。與半導體設備大廠推出的製程優化系統相比,本系統適用的製程設備為複合式原子層沉積,並可依製程調變,擁有眾多特點,極具市場競爭優勢,可大幅提升國產半導體鍍膜設備自製率由30%提升至60%。

「高效雙模態原子層鍍膜系統」現已技轉廠商旭宇騰精密科技,未來預期導入國內外多家半導體元件終端製造商、設備商及系統整合商。由於採用APP介面,廠商不需大幅改機或替換設備就能使用,降低導入門檻;對設備廠來說,未來若附加參數模擬的APP功能,也能進行高值化轉型,提高國產半導體設備的競爭力。其高階梯覆蓋特性亦可用於光電、生醫晶片感測器、5G無線通訊等新興產業上,未來發展可期。

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