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
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。
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