自動化如何幫助美國製造商擴大半導體製造規模

半導體是所有現代電子產品、配電和再生能源發電的核心。半導體產品的範疇從簡單的離散元件 (如電晶體和二極體) 到複雜的積體電路或 IC。半導體裝置通常位於邏輯閘的核心，可彼此結合構成數位電路。還會用於振盪器、感測器、類比放大器、光伏電池、LED、雷射和電源轉換器。產業產品類別包括記憶體、邏輯、類比 IC、微處理器、離散式功率裝置和感測器。

圖 1：積體電路和其他半導體產品的生產需要專用設備。(圖片來源：Getty Images)

儘管半導體具有關鍵性，但世界大部分地區都仰賴不多元化，因而脆弱的全球供應鏈。這是因為有顯著的規模經濟，能讓高度集中的生產更具經濟競爭力。畢竟，半導體製造設施的建設成本高達數十億美元，並且需要非常熟練的員工。

圖 2：直線馬達、皮帶傳動裝置和微型線性導軌只是半導體製程機械中的一部分精密設備而已。(圖片來源：Getty Images)

大多數晶圓廠 (代工廠) 都位於台灣、日本、中國、美國和德國，且已經營數十年。然而，超過一半的半導體以及超過 90% 的先進半導體，都是在台灣製造的，所有主要的電子製造商或多或少都在其半導體製造上，透過單一家台灣半導體製造廠代工。最近的地緣政治緊張局勢，讓人對這種依賴情形的危險性更加關注。美國為了因應此問題，在 2022 年通過《晶片與科學法案》，將獎勵廠商與自動化供應商建立和擴大美國的半導體生產規模。

半導體製造的現狀

大多數材料不是良好的電導體 (如金屬)，就是絕緣體 (如玻璃)。半導體的導電性介於導體和絕緣體之間；會透過一種稱為摻雜的製程，在晶體結構中引進雜質，藉此調整導電性。用電子施體元素摻雜，會帶正電荷，稱為 N 型半導體。相反地，用電子受體元素摻雜，則會產生具有正電荷的電洞，稱為 P 型半導體。單一晶體內兩個相鄰但摻雜不同的區域會形成半導體 P-N 接面。電晶體的配置可採用 NPN 或 PNP 接面。

矽是迄今為止最常見的半導體材料。常見的 N 型摻雜劑是磷和砷，而常見的 P 型摻雜劑是硼和鎵。

圖 3：Jabil Precision Automation Solutions 機器中的六軸機器人可執行與自動化十字線揀選相關的任務，且不會影響封閉的無塵室環境。(圖片來源： Omron Automation Americas)

最先進的半導體製造所生產的產品具有 1 至 100 nm 之間的奈米級特點。由於奈米是十億分之一公尺，固體中單一原子之間的距離在 0.1 至 0.4 奈米之間，現代化半導體的奈米結構已經接近材料結構的最小極限。製造此類產品需要極高精度，因此要在無塵室環境中執行製程，並避免受到地震活動、當地飛機、火車、交通和鄰近機械的振動影響。

IC 製造中最重要的製程就是晶圓生產、微影和選擇性摻雜 (最常採用的是離子植入法)。許多晶圓廠專門從事晶圓製造，或是後續涉及微影和摻雜的晶片製造。台積電 (TSMC) 生產晶圓和晶片；更是唯一可生產先進 5 奈米和 3 奈米晶片的晶圓廠。有些半導體製造商，如 Intel 和 Texas Instruments 也有自家晶圓廠，因此只依靠台積電提供最先進的晶片。然而，許多無晶圓廠的製造商 (包括蘋果、ARM 和 Nvidia) 則完全依賴台積電進行半導體製造。

圖 4：GlobalFoundries 近期展開一項 10 億美元的投資，以便其現有的紐約州設施每年額外生產 150,000 片晶圓。投資新產能是為了滿足汽車、5G 和物聯網應用對多功能晶片的需求。該設施還可支援國家安全要求，以達到安全的供應鏈。(圖片來源： GlobalFoundries)

雖然 AMD 在技術上並無晶圓廠，但卻不依賴台積電，之前更製造自家晶片。AMD 將其製造業務分拆，並命名為 GlobalFoundries；該公司在美國、歐洲和新加坡經營晶圓廠。其紐約晶圓廠過去生產最小達 14 奈米的晶片；之後即將生產 4 奈米晶片，然後是 3 奈米晶片。

特定晶片製程的考量

許多半導體製造採用可延展的高產量製程，以便以單一步驟產生數百萬個單獨的特點 (甚至是奈米級特點)。一些細節的考量。

矽晶圓的製造：多晶矽塊會在部分抽真空的氬氣環境中熔化，然後使用晶種拉動，以生長成矽單晶棒 - 在製程開始和停止時會形成具有頭錐和尾錐的圓柱體。在此階段，可以將一些均勻的摻雜添加到矽中。

圖 5：在此顯示幾個矽晶棒和可在此切片取得的圓盤。在拉動後和研磨前，晶棒上仍有錐體。(圖片來源：Getty Images)

接下來，會將晶棒研磨成具有精密直徑的塊狀，並添加一個切口以指出晶體方向。然後使用線鋸將經晶塊切成晶圓；晶圓會使用金剛石研磨工具進行斜切和研磨；然後透過化學蝕刻、熱處理、拋光和超純水和化學品進行清潔，進行進一步的表面處理。晶圓在包裝前要檢查其平整度和無顆粒清潔度。

圖 6：即使是看似熟悉的清潔產品，在無塵室環境中使用時也會採用新的形式。(圖片來源： ACL Staticide Inc.)

微影：電子電路的製造，首先會將金屬導體薄膜沉積到半導體基板上，然後使用微影技術列印電路圖案的掩模，然後再蝕刻掉剩餘的導電層。這些方法最初是為了較大的印刷電路板而開發，但現在則用於奈米級 IC 的製造。金屬鰭片以網格圖案印刷，5 奈米製程晶元的鰭片間距約為 20 奈米。用於此特定製程的自動化系統通常會採用直接驅動技術以及穩定底座和軟體，甚至空氣軸承。

圖 7：奈米級結構可透過電子顯微鏡和掃描穿隧顯微鏡進行研究。在此所示的光掩模修復設備可自動進行缺陷偵測和修復驗證，以加快處理量。原子力顯微鏡能以奈米級準確度和埃級精度來偵測和修復缺陷和異物。(圖片來源： Park Systems)

薄膜材料沉積：在此製程中，金屬材料會透過真空蒸發、濺鍍沉積或化學氣相沉積在矽晶圓上。

定圖：這是實際的微影製程，在此期間會塗上掩模，以免金屬層在後續的蝕刻步驟中從選定區域上消除。常見的定圖製程包括光微影、電子束微影和奈米壓印微影。掩模間隙之間的金屬會雷射或電子束汽化。

蝕刻：以化學方式去除材料層。化學濕式蝕刻會使用酸、鹼和溶劑等反應性液體，而乾式蝕刻則使用反應氣體。乾式蝕刻包括反應離子蝕刻和導電耦合電漿蝕刻。在此，自動化設備會控制製程的持續時間和速率，這是將晶片特點維持在公差範圍內的關鍵。

離子植入：在矽晶圓上建立電氣連接網格後，就必須透過矽摻雜來建立 NPN 或 PNP 接面，以便在接面上建立個別電晶體。方法是將摻雜元素組成的離子束指向到接面來達成。加速離子束具有極高速度，因此可穿透材料並嵌入到矽晶圓的晶格中。在微影過程中建立的圖案可用於精確引導離子植入過程。

採用自動化來確保半導體品質

美國半導體產業目前大多生產製造設備，而非實際自行製造半導體。此設備運用較傳統的機械和電子式製造自動化技術。例如：

• 微影設備由 Applied Materials 與 ASML 製造。
• 化學氣相沉積設備由 Lam Research and Applied Materials 製造。
• 電漿蝕刻設備由 Lam Research、Applied Materials 與 Plasma-Therm 製造。
• 離子植入設備由 Axcelis Technologies 和 Varian Semiconductor Equipment Associates 製造。

雖然目前絕大多數的半導體產量都進到美國，但製造的所有階段在某種程度上都算在美國境內進行。這包括 Intel、格 GlobalFoundries, Texas Instruments 等公司製造的晶圓和晶片。

用於晶片製造的薄膜材料沉積、微影定圖、化學蝕刻和離子植入製程，在本質上是可延展的，因此能同時建立數百萬個單獨接面。有鑑於此，製造商正在提高自動化水準，部分原因是為了提高生產力，但現在更常見的原因則是改善品質。

自動化涉及的環節還包括化學、晶片和晶圓處理作業，甚至還要使用 KUKA Robotics 等製造商所生產的無塵室機器人。後者在減少人為錯誤造成的損失方面可發揮重要作用。

圖 8：協作機器人在七軸系統上運作，可處理矽晶圓 (40 μm 厚、直徑達 300 mm)，需通過多達 1,200 個步驟後才可變成晶片。(圖片來源： KUKA Robotics)

但在半導體製造中，自動化通常更講究資料的處理以及後續決策的自動化。晶圓廠會使用自動化演算法進行進階製程控制 (APC)，以及統計式製程控制 (SPC)。這些控制法會追蹤製程變化，並對製造過程進行即時控制，藉此減少製造上的瑕疵。此類系統可以採用人工智慧和機器學習在超大資料組中辨識模式，即可追蹤許多製程參數與品質指標。

Siemens 的 Thought Leadership 就認為 APC 由多種方法組成，可減少控制變數的變動，包括模糊控制、模型預測控制、模型式控制、統計模型和神經網路。這種工業 4.0 技術通常會透過整合式生態系統實施，例如 Siemens 或 Schneider Electric 的 EcoStruxure (舉兩個例子) 為半導體行業提供的生態系統。製程變數可以與機器狀態監測互相結合，達到預測性維護，即可減少例行性的生產機器維護，同時還可避免停機。

結論

美國為了確保在具有戰略意義的半導體上維持國內生產的競爭力，勢必具有先進的自動化技術。執行材料搬運的無塵室機器人是自動化最明顯且最具能見度的實作項目，但其實實際製程的自動化製程控制才是真正的競爭優勢所在。從控制矽晶體生長的環境，到確保離子植入過程中接面的精確摻雜，要有效且零瑕疵的生產奈米級 IC，取決於數千個製程參數的即時控制。

最終需採取一套進階製程控制，其涉及 IIoT 感測器、AI 演算法和其他進階模型式控制方法的整合，以便確保美國的半導體產業競爭力。