技術專題主編前言｜半導體與光電產業設備技術專輯主編前言

2023年臺灣與全球半導體產值受到庫存調整與景氣的影響，根據DIGITIMES分析2023年全球半導體產值達5,230億美元，較2022年減少8.9%，但2024年全球半導體市場隨著庫存調整逐漸完成，AI與伺服器產品大幅興起，以及車用、HPC與AIoT等長期需求支持，預估2024年全球半導體市場將重新恢復正成長，預計2024年全球半導體產值將突破6,000億美元，增幅達17.3%，其中美國為最大市場，產值占比達6成以上，隨後為南韓(12%)、歐洲(11%)、臺灣(7%)與日本(6%)等地區。根據臺灣半導體產業協會(TSIA)統計，2023年臺灣半導體產業產值約4.34兆元、衰退10.2%略高於全球平均，預估2024年臺灣半導體產業產值將增至5.01兆元，年成長率達15.4％，其中以台積電為首的晶圓代工業，預估2024年產值將達2兆9060億元，年增率16.6%居最高。臺灣在半導體產業扮演重要角色，無論在晶圓代工和IC封裝測試之產值市占率均為全球第一，IC設計之產值將為全球第二。2023年臺灣晶圓代工產值為800億美元，占全球產值約77.9%（不包括整合元件製造商）；臺灣IC封測產值達到187億美元，占全球產值的52.%；臺灣IC設計產值為352億美元，占全球21.3%。
根據2024年國際半導體產業協會發布全球半導體設備市場報告指出，2023年全球半導體設備銷售總額為1,063億美元，相較2022年的1,076億美元微幅下滑1.3%，半導體設備支出前三大市場依然是中國、韓國和臺灣，其共占全球設備市場72%。中國為全球最大半導體設備市場，受惠於政府支持力道，半導體設備產值仍成長29%達366億美元；第二大設備市場韓國則受庫存調整影響，設備產值為199億美元，下降7%；臺灣設備產值為196億美元，下降27%。但臺灣半導體設備受政府政策與終端製造商扶植影響，也逐漸提高半導體設備自製率。根據電子設備公會統計2023年臺灣電子設備產值約3,336億元，其中臺灣半導體設備產值約1,410億元，顯示器設備產值約891億元，關鍵模組、零組件、廠房設施、智慧製造系統等約1,035億元，隨著AI智慧製造、先進封裝、化合物半導體等相關應用興起，預計2030年電子設備產值將達到1兆新臺幣。臺灣半導體設備在前段晶圓製程之設備自主率較低，只能提供清洗、離子佈植、檢測等少量設備，近年來，在產官學研努力下，電漿鍍膜設備與關鍵模組如:物理氣象沉積設備(PVD)、原子層沉積設備(ALD)等逐漸國產化，而半導體後段晶圓封裝之設備如:顯影、貼合等設備亦逐漸在地化生產，可提高臺灣半導體生產韌性與競爭力。
電路板產業亦是我國另一個重要電子產業，由於手機、電腦等需求不振與庫存調整影響，2023年臺灣PCB產值為7,698億元，衰退16.7%，預估今年在庫存調整結束與AI需求帶動下，2024年臺灣PCB產值可達8,182億元，成長達6.3%，並帶動PCB產業鏈產值達1.21兆元年增7.4%，其中材料產值約為3,370億元，設備產值約為590億元。臺灣PCB產品以多層板為最多，約達3成，依序為軟板(26.0%)、HDI(19.3%)與載板(15.6%)等，除了車用與AI晶片帶動多層板產能需求外，其他各項產品皆因終端庫存去化壓力，呈現衰退。
因應AI需求，未來半導體與電子產業設備需求大幅增加，亦因中美貿易障礙等因素，導致必須積極發展自主化半導體與電子設備，以提高產業生產韌性，故本期專輯將針對半導體與光電產業之先進製造技術與設備進行介紹與說明，很榮幸邀請旭宇騰精密科技股份有限公司王春暉董事長針對「ALD原子層沉積技術引領半導體產業革命」進行介紹，ALD技術以原子級的沉積優勢，已成為半導體製程中的核心技術，其全球ALD設備市場規模預計到2029年將達到201.4億美元，為半導體前段製程設備中成長最快的，這一趨勢不僅反映了ALD技術在解決傳統技術瓶頸方面的優勢，也突顯在未來半導體產業中的巨大潛力和戰略重要性，此文將針對ALD設備應用於半導體前段與封裝段、化合物半導體與OLED等應用進行說明。
「CPO賦能矽光子，開創高速傳輸新紀元」一文，由於5G、AI及雲端服務的迅速發展，數據流量激增，對網路和記憶體頻寬的需求大幅提升，共封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）技術的核心在於將先進光學元件（又稱光引擎）與矽基元件（通常是ASIC）整合在單一封裝基板上，這一創新技術整合光纖、數位訊號處理（DSP）、交換器ASIC以及尖端的封裝和測試技術，CPO技術將光電元件置於相同的封裝中，利用光訊號在長距離傳輸中的低損耗特性，大幅提升系統的傳輸效率。「全球半導體設備市場趨勢分析與展望」一文，深入探討全球半導體設備市場的各個方面，包括市場規模變化、主要企業表現、進出口數據以及未來市場預測，我們特別關注臺灣半導體設備產業的發展，分析其在全球供應鏈中的表現以及未來的發展機遇。通過對2015年至2023年間的數據進行全面分析，並結合具國際權威的市調機構，如世界半導體貿易統計組織（WSTS）和國際半導體產業協會（SEMI）的最新預測，提供了對2024年和2025年半導體製造業與設備業市場前景的判斷。「電漿薄膜沉積預測與應力分析模組技術」一文，採用電漿診斷手法，監測製程中射頻電漿源輸入功率、反射功率、以及電漿光譜強度等參數，對應薄膜厚度、成分之關係，建立薄膜沉積預測模型；另透過多重物理耦合技術，生成薄膜表面溫度與壓力分布值，將數值作為應力模型邊界條件，再以實驗資料驗證模擬分析生成曲面擬合法經驗公式，預測薄膜應力及翹曲量，其準確度可達≥90%，所建立電漿薄膜沉積預測模型，將以氮化矽(SiNx)薄膜展示應力分析模組建模技術，完善電漿鍍膜分析技術於實際製程設備之輔助應用，滿足電漿薄膜智慧製造之產業應用目標。「大氣電漿輔助鑽石拋光技術」一文，單晶鑽石被認為是下一代功率元件的理想材料，其使用以空氣為主要氣體和過氧化氫為反應前趨物的常壓等離子體系統生成羥基改質藍寶石拋光墊，再透過拋光機下承載盤的旋轉運動，使羥基改質後的藍寶石拋光墊與單晶鑽石表面發生反應，而達到單晶鑽石拋光的效果。為證明所提出方法的有效性，在室溫下的大氣條件下，使用藍寶石拋光墊在無和有大氣電漿處理情況下對鑽石進行拋光測試。透過表面形貌量測儀和白光干涉顯微鏡測量和評估材料去除率和表面粗糙度，驗證使用大氣電漿的材料去除率達0.9 μm/hr比沒有大氣電漿照射的材料去除率(0.085-0.12 μm/hr)高大約九倍，拋光後表面粗糙度從70 nm降低到5 nm。「高速滾珠主軸之流體黏滯阻尼抑振技術」一文，阻尼抑振模組經常被使用在機械設備中作為減少振動的手段，阻尼抑振模組性能受到許多因素影響，包括:長度、直徑、徑向間隙、供油壓力、供油及排油機構、軸端密封、流體慣性、氣穴等。其詳述阻尼單元之規劃設計，內容包括:阻尼抑振模組簡介、阻尼抑振模組型式、阻尼抑振模組設計流程與計算等，利用調整油壓壓力與轉速而改變阻尼特性，使每個共振頻率均有最佳阻尼比，所設計之主軸經由振動量測，利用加速規與動態頻譜分析儀量測主軸振動量，主軸於最高轉速30,000 rpm時，無阻尼抑振之主軸振動量1.15 mm/s，有阻尼抑振之主軸振動量0.76 mm/s，振動量降低至無阻尼抑振狀況下之66%。「IC載板電漿設備之電極模組設計與軟體開發」一文，現有IC載板電漿處理設備因整體電漿均勻度不佳(70~75％)，導致單片良率僅50~70％，片與片之間差異大及製程均勻度不佳(僅50~60％)等問題，本文在電極模組設計上，透過特殊的流道設計及針對冷卻水路與氣流場進行分析模擬；在電控規劃設計上，主要包括系統主電源、訊號輸入與輸出、氣體流量、低頻電源、溫度傳感器、電磁閥等電控元件設計；在軟體開發上，其設備操作模式主要包含手動/自動模式、製程設定、各系統設定、資料查詢、異常紀錄、使用者管理功能等畫面。同時搭配製程優化技術，進行高製程均勻性(>85%)的驗證，將有利推動IC載板電漿設備國產化。「智慧優化快速試產PCB製造系統」一文，目前PCB產業試產製程中各站多採用人工方式進行參數監控以及手動進行參數調適，而每一輪試產製程間須進行樣品檢查及參數調適，單次製程的時間約需耗時達40分鐘以上，並且單一料號調適週期約需要4~6次，故要能達成快速試產必定需要導入製程智慧化技術，其提出建立自動化監控製程參數及量測並智慧化進行參數的調適，除了可以大幅縮短樣品檢查及參數調適時間外，利用AI預判斷優化參數系統亦可以有效減少反覆調適次數，減少整體試產時間以及人力成本。其藉由多料號智慧預判優化參數系統，於2次試產下，線寬精度與目標線寬90 μm之偏差量為6.6~7.9%，試產最細線寬之平均值範圍介於40.16~44.04 μm，最短試產時間可達15分48秒，可針對高單價且高精度HDI產品、IC載板等產品有效減少試產成本及時間，增加國內PCB製造商之競爭力。「微奈米結構轉印技術的產業應用」一文，奈米結構轉印製造技術是一個低成本、適合量產的生產技術，可應用的領域包括:光學元件、光子晶體、生醫晶片、電子產業、半導體等。在製程方面，除了平面轉印、滾筒轉印，還有適合大量生產用的捲對捲的轉印；在模具的製造方面，可使用黃光微影、雷射加工、電子束加工等技術；在材料方面，針對各種應用的熱固性材料及紫外光固化材料也陸續開發。在低碳製程與減少設備投資考量下，業界開始思考使用奈米轉印技術取代傳統光學微影，製作微奈米線路，此技術通常是使用小區域步進式塗布光阻，以紫外光將光阻固化，採用噴印的方式控制光阻塗布的量及位置，讓光阻在模具壓下時，不會溢流也保持光阻厚度均勻性，最後以紫外光固化光阻，脫模之後得到細線路圖案，目前CANON等公司已發表相關設備。
本期專輯期望能從半導體與光電技術應用中，挑選突破點與建立技術制高點，並與讀者們一同分享與交流，同時也希望能引起產學研各界之共鳴，大家一起投入發展，讓臺灣半導體與光電相關技術能持續進步與應用，帶動臺灣製造業之發展。