■臺灣科技大學 高速3D列印中心 / 趙育德
前言
COVID-19疫情使得物料供應鏈中斷，人們的生活、交流途徑遂由原來的實體活動朝向虛擬轉變，全球對於個人行動裝置、消費性電子產品、網路設備等需求迅速上升，相關領域的製造商接爭相購足所需的晶片。
然而半導體製造設備的組件供應受到撼動，晶片短缺成為半導體產業正待解決的問題。它不僅涉及供應側晶片代工廠商的產能和擴廠計畫，也關係著廣大汽車、手機等廠商需求端的產品研發和銷售。晶片短缺問題如何緩解？何時澈底解決？這一連串問題，將可能催化一場技術供應鏈的變革。
近來，晶圓廠正需要擴充新的產線，半導體資本設備、代工生產商(OEM)紛紛將目光投向3D列印技術，藉助其製造靈活性以優化零組件並提高整體設備之性能。
3D列印之於半導體資本設備
舉例來說，一臺半導體光刻設備可能具有超過10萬個零組件，所有專業零件皆以相對小的數量製造，如此數量的系統需要一連串供應鏈的支持。供應鏈中包括傳統的鑄造、機械加工等方式，受制於加工工具的形貌，對於設備的設計勢必得採用大量的妥協方案。藉由3D列印則可以突破這些形貌加工上的限制，進而營造一套更符合理想的半導體加工環境。
隨著晶片封裝尺寸日益減小，半導體OEM針對優化性能與可製造性正在尋求進一步的提升空間。精密加工公司Wilting協助一家大型半導體設備商生產複雜的金屬零件，用以提升成像精度與生產力，透過與3D Systems公司合作，利用金屬3D列印進一步生產優化的零件，3D Systems半導體解決方案首席負責人Scott Green就分享了晶圓臺、歧管、彎曲件等案例。
應用案例
岐管優化
在光刻設備內部具有大量的流體管線，透過3D列印技術工程師可以減少使用軟管連接的妥協方案，設計一款可以優化流體流動的特製管路，藉此可以減少壓降、機械干擾與震動等因素。如圖1中所示，以傳統方法加工製造的岐管組件需裝配達20多個零件，這導致流體流動產生死區、紊流，而藉由3D列印可將之合併為單一設計，可減少中途接點產生的不穩定性，減輕多達50%的重量，並充分運用設備內有限的空間。
晶圓臺熱管理
舉例來說，在光刻機內部有一個晶圓放在平臺上。平臺的功能是用於確保晶圓溫度穩定控制在絕對溫度差數mK（毫開爾文）之間，直到不再交換熱量的平衡。對於需求在奈米尺度的晶圓而言，數mK的溫度即對精度產生影響，當前的冷卻和調節方法不能提供具有精確控制的均勻熱環境，將晶圓保持在穩定的溫度需要一定的等待時間，而這些時間即是生產力的損失。若能更快地達到穩定的溫度，將能每週抽出更多的晶圓，從而縮短循環時間。
傳統製造的調節板和冷卻臺，藉由焊接將多個零件結合為單個組件。而3D列印技術可以針對性能快速進行開發嘗試，縮短設計工程迭代的時間。在圖2中，資料顯示經過3D列印優化的冷卻通道設計改設了表面溫度與熱梯度(<4mK)，並同時降低了冷卻時間常數(<1.5s)。
彎曲和結構優化
除了前述提到的岐管優化流體流動與晶圓臺熱管理等應用外，設備結構上的設計與優化更是提升設備性能的切入口，半導體設備同樣仰賴快速移動的零件以提升生產速率，用高的重量亦將產生極高的慣性力必須克服，就由3D列印高強度重量比結構，減輕零件重量進而提高設備的運動相效能。
結語
本篇文章主要以3DSystem公司今金屬3D列印案例介紹半導體設備廠如何藉此技術提升零組件性能，目前要能夠完全以3D列印理念重新設計一套光刻系統能是一項極大的挑戰，但藉由3D列印設計取代現有部件的案例正不斷的產生，在輕量化、熱管理與流體疏導等應用領域俱為3D列印的強項。設備代工廠未來勢必將陸續引入3D列印投入研發與製造，藉此進一步提升半導體之產能。
參考資料
- 封面圖引用自https://www.3dsystems.com/semiconductor/manifold-fluid-flow-optimization?ind=semiconductor
- https://www.3dsystems.com/semiconductor
- https://www.makepartsfast.com/how-additive-manufacturing-helps-the-semiconductor-industry/
- https://ecss.sg/increase-performance-productivity-and-reliability-with-3d-printing-for-semiconductor/
- https://www.sdcexec.com/sourcing-procurement/article/21403533/3d-systems-why-the-semiconductor-industry-must-embrace-3d-printing
- https://3dprint.com/280766/3d-printing-steps-in-to-aid-semiconductor-industrys-faltering-supply-chains/
