半导体清洗设备制程技术与设备市场分析

2021年2月2日发(作者：conny)

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，

< p>
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>

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

)< /p>

，在前段制

程清洗方面，如

< p>
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

(Mic ro-etching)

的化学清洗方式

< br>(

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

< br>

(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

1. APM

：

NH4OH/H2O2/H2O

去除微粒、金属离子与轻有机物。

2. HPM

：

HCl/H2O2/H2O

去除重金属离子、碱金属离子与金属

的氢氧化物。

< br>

3. 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。

4. SPM

：

H2SO4/H2O2

去除重有机物与氧化物。

5. FPM

：

HF/H2O2/H2O

去除自然的二氧化硅层。

6. BHF

：

HF/NH4F

去除氧化薄膜。

7. 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

< br>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，

< br>如

DNS

、

< br>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：

Dataqu est

；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

、

< p>
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

< p>
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 < /p>

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。

< p>

(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

DN S

、

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%

< br>，日

本市场规模

7900 < /p>

万美元为全球最大的市场，

其次为美国与台湾。

< br>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