半导体清洗设备制程技术与设备市场分析-地衣除尘

半导体清洗设备制程技术与设备市场分析

（台湾）自•動•化•產•業•技•術•與•市•場•資•訊•專•輯

关键词

多槽全自动清洗设备Wet station
单槽清洗设备Single bath
单晶圆清洗设备Single wafer
微粒particle

目前在半导体湿式清洗制程中，主要应用项目包含晶圆清洗与湿式蚀刻两项，晶圆 (湿式) 清洗制程主要是希望藉由化学药品与清洗设备，清除来自周遭环境所附着在晶圆表面的脏污，以达到半导体组件电气特性的要求与可靠度。至于脏污的来源，不外乎设备本身材料产生、现场作业员或制程工程师人体自身与动作的影响、化学材料或制程药剂残留或不纯度的发生，以及制程反应产生物的结果，尤其是制程反应产生物一项，更成为制程污染主要来源，因此如何改善制程中所产生污染，便成为清洗制程中研究主要的课题。

过去 RCA 多槽湿式清洗一直是晶圆清洗的主要技术，不过随着近年来制程与清洗设备的演进，不但在清洗制程中不断产生新的技术，也随着半导体后段封装技术的演进，清洗设备也逐渐进入封装厂的生产线中。以下本文即针对清洗设备与技术作一深入介绍，并分析清洗设备发展的关键机会及未来的发展趋势。

晶圆表面所残留脏污的种类非常多，约略可分成微粒、金属离子、有机物与自然氧化物。而这些污染物中，以金属离子对半导体组件的电气特性有相当的影响力，其中尤其是重金属离子所引发的不纯度，将严重影响闸氧化层的临界崩溃电压、起始电压漂移与 P-N 接合电压，进而造成制程良率的降低。所以，针对制程所使用的化学品与纯水，必须进行严格的纯度控制以有效降低生产过程所产生的污染源。由于集成电路随着制作集积度更高的电路，其化学品、气体与纯水所需的纯度也将越高，为提升化学品的纯度与操作良率，各家厂商无不积极改善循环过滤与回收系统，如 FSI 公司提出point-of-generation （点产生）与 point-of-use （点使用）相结合，比起传统化学瓶的供应方式，有着更佳的纯度。（注：POUCG点再生）

在半导体制程中，无论是在去光阻、化学气相沈淀、氧化扩散、晶圆研磨以后等各阶段制程都需反复清洗步骤，而在晶圆清洗部分也概略分为前后段清洗两部分 (在晶圆生产处理过程中大致可区分为前段与后段制程，前后段以金属制作蒸镀、溅镀为分界)，在前段制程清洗方面，如 Preclean、扩散、氧化层与氮化层的去除、复晶硅蚀刻与去除。后制程段清洗方面，包含金属间介电层与金属蚀刻后之清洗、光阻去除前后的清洗、CMP 制程后之清洗等。

由于晶圆污染来源除一般微粒 (particle) 附着于晶圆表面上，并可能是污染物与晶圆表面之间产生连接，包含如多种化学键结，甚至于脏污被氧化层或有机物薄膜所深埋，即使经过多次的物理力洗濯或冲刷，均无法彻底去除此脏污，并有可能产生回污或交互污染。因此，清洗的方法除了物理力或溶解的洗净外，对于晶圆表面施予微量蚀刻(Micro-etching) 的化学清洗方式 (如下表一)，便成了不可或缺的关键技术。半导体清洗设备以清洗方式目前依分类大致可分为：(1)多槽全自动清洗设备(Wet Station)；(2)单槽清洗 (Single Bath) 设备；(3)单晶圆清洗 (Single Wafer) 设备等几大类。

表一　清洗液种类与其使用目的

清洗液名称目的

APM：NH4OH/H2O2/H2O 去除微粒、金属离子与轻有机物。
HPM：HCl/H2O2/H2O 去除重金属离子、碱金属离子与金属的氢氧化物。
DHF：HF/DI 去除自然的二氧化硅层、硅玻璃( PSG, BPSG) 以及铜以外的金属离子便裸露硅层提供其它化学液作用。
SPM：H2SO4/H2O2 去除重有机物与氧化物。
FPM：HF/H2O2/H2O 去除自然的二氧化硅层。
BHF：HF/NH4F 去除氧化薄膜。
Hot H3PO4 氮化硅层之图案制作或去除。

資料來源：工研院機械所；工研院 IEK(2003/12)

一、多槽全自动清洗设备 (以下简称 Wet Station)

Wet Station 架构上由于药液槽和纯水的清洗槽是完全独立的，所以多槽且占地大便成为其主要特征，而药液槽中通常具有温度控制器、流量控制器、液面感知器以及循环系统等。导因于不同药液分置于不同的槽中，且其后必定接有一纯水清洗槽，再加上最后的清洗槽与干燥槽，整个清洗系统不庞大都很难。然而其优点为应用范围较广、产能高且产品技术成熟度高；而其缺点为洁净室占地大、化学品与纯水耗量多、蚀刻均匀度控制不易、晶圆间互污严重、设备机动调整弹性度不高。

由于此种清洗方式之设备发展较早，因此产品应用相当成熟，如 DNS、TEL、Kaijo、Mattson、SCP、SEZ 等厂商皆有推出 Wet Statation 的产品，目前市场的产品仍以日制为主。就目前整体市场来说，全球 Wet Statation 清洗设备市场规模 2002 年市场规模为 6.1 亿美元，较 2001 年衰退41.2%，其中北美市场规模 2.2 亿美元，为全球最大 Wet Statation 市场，其次为台湾与日本市场，市场规模分别为 1.15 亿与1.12 亿美元。就主要厂商来说，目前 DNS 握有最大市场占有率，其次为 SCP Global、TEL。

表二　Wet Station 市场规模单位：百万美元

地区别 2000 2001 2002 2002 市场比重(%)

北美 341.3 317.7 218.0 35.7

日本 311.3 284.6 112.0 18.4

南韩 134.9 97.6 44.0 7.2

台湾 271.4 153.3 114.5 18.8

亚洲与其它地区 94.3 85.4 63.2 10.4

欧洲 106.9 100.5 58.7 9.6

全球市场 1,260.2 1,039.0 610.4 100.0

資料來源：Dataquest；工研院 IEK(2003/12)

在国内厂商方面包含弘塑、嵩展科技已推出RCA 清洗制程产品，目前已生产应用于 IC 半导体及光电通讯用 4 吋、6 吋、8 吋芯片制程用化学清洗蚀刻、光阻去除、Batch 式 Wet Station、零件清洗等设备，其中弘塑科技并于 2002 年开发出 12 吋晶圆制程的 Batch 式 Wet Station 清洗设备机台。

二、单槽清洗设备

单槽式 (Single Bath 或 One Bath) 清洗设备是因应 12 吋晶圆时代来临，减少占地面积、减少清洗步骤，以及降低化学液用量之新式清洗设备。

此类设备将药液槽和纯水的清洗槽结合在一起，所以单槽且占地小便成为其主要特征。其优点为较佳的环境制程与微粒控制能力、洁净室占地小、化学品与纯水耗量较少、设备机动调整弹性度较高;而其产能较低、晶圆间仍有互污为主要缺点，目前较少厂商采用此类型的设计。在单槽清洗设备主要供货商方面，有 DNS、CFM、Steag 与 FSI International 四家公司。

三、单晶圆清洗设备

单晶圆清洗设备为这几年来各设备厂开发相当积极的设备，其主要优点包含提高制程环境控制能力与微粒去除率、设备占地小、化学品与纯水耗量少、极富弹性的制程调整能力等特色，使其具有成为未来 IC 晶圆厂清洗设备的主流的架势，尤其单晶圆旋转清洗设备在 Metal 后的清洗，因其能有效解决 Pattern 经清洗后所造成腐蚀破坏的现象，进而改善良率的下降，而Wet Station 与单槽清洗设备尚无法克服此一问题。另外单晶圆清洗设备并可根据需求，可以分为：(1)旋转清洗与高压喷洒；(2)超音波刷洗等方式，单晶圆清洗设备特色包括：

(1)每片的制程时间短，亦即数秒的喷酸完后便迅速以 DI 水洗净，使得化学药液与 Layer 来不及反应，而不致造成 Pattern 的破坏。

(2)较高的制程控制环境，使得晶圆能获得较高的均匀度与低污染。

(3)每片晶圆均是以新鲜的酸与 DI 来清洗，故再现性高且不会有化学品污染的问题。

(4)若采旋转清洗方式则能在 Deep trench 或 High Aspect ratio 的接触窗中产生一个负压，使得残留的化学品与反应产物能被吸出，而不会造成腐蚀或污染的问题。

(5)离心力能破坏化学品或 DI 水的表面张力，使得酸或水能轻易进入沟洞中，以利化学反应的产生。

目前在单晶圆清洗设备市场包括 DNS、FSI、Semitool、SEZ、TEL、Verteq 等公司。就目前整体市场来说，整体湿式清洗设备市场规模 2002 年市场规模为 2.7 亿美元，较 2001 年衰退 30.9%，日本市场规模 7900 万美元为全球最大的市场，其次为美国与台湾。而就单晶圆清洗设备主要厂商方面，目前 SEZ 握有四成最大市场占有率，2002 年销售金额约达 1.1 亿美元，其次为 FSI 与 Semitool 公司，各约占两成的市占率。

SEZ 在单晶圆设备最大之优势为其化学品供给与使用机构，SEZ 在单晶圆清洗设备项目具有化学品可重复使用之专利，因此可大量节省化学品之用量。国内清洗设备厂商弘塑、嵩展科技，近两年亦积极发展单晶圆清洗制程之生产设备，其中弘塑清洗单晶圆清洗设备 UFO 200mm 系列产品于去年并进入晶圆大厂进行试产。目前国内单晶圆清洗市场规模为 6,100 万美元，其中 12 吋单晶圆清洗型式将是今明两年国内清洗设备市场的主力需求。

表三　单晶圆清洗设备市场规模单位：百万美元

地区别 2000 2001 2002 2002 市场比重(%)

北美 92.5 79.8 68.0 24.7

日本 122.1 135.9 79.3 28.8

南韩 13.6 13.8 7.1 2.6

台湾 63.1 41.5 61.7 22.4

亚洲与其它地区 65.3 36.6 22.4 8.1

欧洲 103.4 91.0 36.6 13.3

全球市场 460.0 398.6 275.1 100.0

資料來源：Dataquest；工研院經資中心(2003/12)

清洗设备之技术与市场趋势

一、单晶圆清洗设备之发展

目前清洗设备根据制程应用上来说，Wet Station机台主要运用在Pre-clean、Pre-furnace CVD clean、Wet PR strip、Post-CMP clean 与 Pre-metal clean 等制程；而单晶圆清洗设备则主要用在 Post-Dep. clean、Post-metal clean 与 Post-CMP clean；单槽清洗设备则运用在 Pre-clean、Pre-furnace CVD clean 与 Post-CMP clean。在 Post-Metal 清洗方面，单晶圆设备占有较大之竞争优势，主要是对晶圆厂而言，Post-Metal 清洗步骤较着重于腐蚀 (Corrosion) 与微粒 (Particle)问题，而批量式型态 (Batch type) 由于是湿式沉浸(Wet Immersion) 方式，故较易产生腐蚀的问题。

虽然目前Wet Station 的价格较高，机台尺寸也最大，但晶圆厂优先考虑产能与制程技术稳定性下，故仍有一定的市场；但另一方面，单晶圆清洗设备业者也不会坐视市场大饼而不行动，积极将设备作最好的改善，例如由单反应室 (Single Chamber)改为多反应室 (Multi Chamber)，不仅产能提升加倍，机台尺寸亦不致增加过多，且其价格亦具有竞争力。

另外，由于铜制程处理完成后也需要清洗制程，配合半导体铜制程的快速发展，铜制程 CMP后之清洗设备也是单晶圆清洗设备型态中成长相当大的一部份。CMP 需利用清洗制程去除外来污染物与研磨产生之表面损伤，利用不同之研磨浆料组成及研磨材质如二氧化硅、钨、铝铜合金、铜等材料进行清洗，以确保后续薄膜沉积、微影等制程良率，此部份将是单晶圆清洗的主要应用之一。目前此部份主要以单晶圆为主的设计架构，采双面清洗(Double Side clean) 方式受到厂商的欢迎，DNS 与LamRC 为 Post CMP clean 的主要厂商。

若再从单晶圆型态与Wet Station 的市场规模进行分析比较，2002 年由于景气不佳整体设备需求下滑，Wet Station 与单晶圆清洗设备市场皆呈现市场衰退情况，不过若以两者的衰退幅度比较，单晶圆清洗设备衰退幅度约在三成左右，而 Wet Station 超过四成的衰退幅度，并且 Wet Station 市场可能持续遭到单晶圆的挑战而进一步下滑，因此可以预见单晶圆清洗技术将是未来晶圆厂的主流清洗型态。

不过以目前半导体清洗制程情况来分析，要将所有洗净制程以单晶圆型态清洗仍有其困难。例如在 transistor 产品于热处理前 (FEOL) 的洗净上，以及若要使用黏绸性较高的清洗液 (如 SPM 配方) 进行单晶圆旋转清洗，目前都仍有一些处理上的困难点。因此，对于未来半导体厂于清洗设备的配置上，在晶圆厂面对少量多样产品的生产型态，Wet Station仍有其发展空间，然而整体来看，清洗设备将以单晶圆型式为主体，再搭配批次型 Wet Station 的组成结构，会是未来晶圆厂于清洗设备的主要需求趋势。

二、Wet Station 于后段封装凸块制程中的新市场机会

未来电子产品在散热性、电气特性、脚数、以及封装后体积日益严苛的要求下，新一代以凸块 (以下简称 Bumping) 为主的覆晶封装技术在近两年快速发展，由于国内各大封装厂商皆看好覆晶与Bimping 技术的应用市场，在 2002 年主要半导体前后段业者持续投入大量资源于覆晶相关技术的研发。目前主要投入焊锡凸块生产的厂商，包括前段晶圆龙头大厂台积电，封测业者则有日月光、硅品、悠立、米辑等厂商。

在覆晶技术中，Bumping 的制作为覆晶技术的成败关键，Bumping 制程主要可有四种方式制作，包含蒸镀法、电镀法 (Electro-plating) 以及印刷法(Printing) 与 Stud Bump 等方式，其中蒸镀法、电镀法的在 Bumping 制程与半导体前段制程类似，其主要制程步骤如表四所示。

表四蒸镀与电镀的 Bumping 制程

主要制程蒸镀制程电镀制程

步骤一 In-situ sputter clean Wafer Clean

步骤二 Metal Mask UBM Deposition

步骤三 UBM Evaporation Eletroplating of Solder

步骤四 Solder Evaporation

步骤五 Solder Balling

（資料來源：FCT 公司技術資料；工研院 IEK(2004/02)

由于 Bumping 制程也是由曝光、显影、蚀刻等制程制作，因此在制程进行中也是需要湿式清洗的设备。如Sputter 前清洗、上光阻后、电镀后、UBM电镀后之 Metal Etch 均可使用湿式清洗方式，由于其 Bumping 制程需求不若前段制程精细，加上成本上的考虑，因此Wet Station 在 Bumping 制程上有不错的发展空间。但由于在后段主要清洗的主要包含铜、镍、钛等污染物与前段不尽相同，因此在后段Bumping 之清洗所使用的清洗溶液也与前段有所不同。

目前就 Bumping 制程来说，国际的设备大厂分别组成 SECAP 与 APIA 两大联盟竞逐，其中清洗设备方面虽然也有厂商如 SEZ 在 APIA 联盟中提供以单晶圆清洗设备进行 Bumping 后之清洗，目前Bumping 生产线而言，由于在成本与制程上考虑主要半导体厂商多使用Wet Station 进行 Bumping 后之清洗，而在此项设备方面，目前国内也有嵩展、弘塑等厂商推出Wet Station 设备于 Bumping 制程中所使用。

厂商未来发展趋势与国内设备厂商发展机会

清洗设备在主要清洗物质依制程不同而清除对象而有所差异，Wet Station 主要清除物质为污染微粒、Organic 与 Metal Ion、Native Oxide 等；而单晶圆设备则对污染微粒与金属有较佳的去除效果。然而，随着半导体厂着重于缩短时间、降低成本、更好的制程表现、低污染与低耗能等诉求，目前全球各大设备厂也不断以单芯片清洗设备为主要研发机种。

就单晶圆清洗设备来说，虽然成本较高，但在前段12 吋晶圆与0.13微米以下的制程发展趋势下，未来的主要应用在反应上将强调平坦度、均匀度，清洗过程中化学药液、纯水使用减量等因素，而在这个部分厂商尝试以引入臭氧水、界面活性剂与megasonic 震荡的清洗技术达成此目标。以目前 12吋单晶圆清洗设备来说，而纯水的消耗量仅为批次式设备的 10 分之 1，硅及氧化硅消耗也低于批次式技术。

为了增加单晶圆清洗设备的产出，多反应室的架构 (Mutichamber) 的单晶圆清洗设备也有许多厂商进行开发，将较传统批次式技术缩短约 2030%生产周期，目前 SEZ、DNS 皆有推出 RCA 配方进行单晶圆前段、后段的清洗设备。此外，目前并有大厂以 Total Solution 为诉求进入清洗设备市场，强调前后段制程设备的整合关系，例如应用材料于去年推出 Oasis 系列的清洗设备即是以此为诉求发展下的产品。

在前段清洗设备国内技术已逐渐成熟，包含弘塑、嵩展皆有推出八吋的单晶圆清洗设备，弘塑并在 2002 年推出 12 吋的单晶圆清洗设备，单晶圆清洗设备在国内厂商的努力下，之前已进入半导体晶圆厂之实验线进行试产并获得不错的评价，不过，欲进入晶圆厂量产线方面仍遇到不小的困难。由于晶圆厂所需之生产设备除了能够稳定运转外，并需要进行前后段制程系统的整合，因此，这部份将是国内厂商进入晶圆厂单晶圆清洗设备市场时相当大的挑战。

由于半导体产业不断朝向微细线宽的高阶制程发展，单晶圆清洗设备的快速成长，对于之前的清洗主流设备 Wet Station 而言造成了非常大的挑战。不过近两年覆晶封装制程快速发展，由于覆晶Bumping 制程各个 Bump 的间距较宽，再加上半导体业者基于整体生产成本的考虑，使得 Wet Station在这个部分有了不错的发展机会，目前除了在Bumping 的 Metal Etch 制程中，由于担心Wet Station蚀刻控制较为不易进而影响反应均匀度、平坦度而采单晶圆设备外，大多 Bumping 中的清洗制程均可采用 Wet Station 进行处理。

以国内主要半导体厂的 Bumping 生产线来说，目前多使用 Wet Station 进行 Bumping 的清洗制程，而国内机台在这个部分的技术与市场发展上也有不错的成绩，包含国内晶圆厂、封装大厂中已有国内清洗设备在 Bumping 生产线进行生产测试。因此，国内厂商如何藉由此部分技术先站稳先进构装用之清洗设备，进而向上发展至单晶圆清洗设备技术与市场，是国内厂商在此刻需要好好思考与掌握的机会。

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