半导体清洗设备制程技术与设备市场分析.docx

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半导体清洗设备制程技术与设备市场分析

半导体清洗设备制程技术与设备市场分析（总12页）

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Wetstation

•单槽清洗设备Singlebath

•单晶圆清洗设备Singlewafer

•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（WetStation）；

（2）单槽清洗（SingleBath）设备；（3）单晶圆清洗（SingleWafer）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.HotH3PO4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WetStation）

WetStation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WetStatation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WetStatation清洗设备市场规模2002年市场规模为亿美元，较2001年衰退%，其中北美市场规模亿美元，为全球最大WetStatation市场，其次为台湾与日本市场，市场规模分别为亿与亿美元。

就主要厂商来说，目前DNS握有最大市场占有率，其次为SCPGlobal、TEL。

表二　WetStation市场规模单位：

百万美元

地区别2000200120022002市场比重（%）

北美

日本

南韩

台湾

亚洲与其它地区

欧洲

全球市场1,1,

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WetStation、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WetStation清洗设备机台。

二、单槽清洗设备

单槽式（SingleBath或OneBath）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FSIInternational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WetStation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Deeptrench或HighAspectratio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年市场规模为亿美元，较2001年衰退%，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UFO200mm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2000200120022002市场比重（%）

北美

日本

南韩

台湾

亚洲与其它地区

欧洲

全球市场

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，WetStation机台主要运用在Pre-clean、Pre-furnaceCVDclean、WetPRstrip、Post-CMPclean与Pre-metalclean等制程；而单晶圆清洗设备则主要用在Post-Dep.clean、Post-metalclean与Post-CMPclean；单槽清洗设备则运用在Pre-clean、Pre-furnaceCVDclean与Post-CMPclean。

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（Batchtype）由于是湿式沉浸（WetImmersion）方式，故较易产生腐蚀的问题。

虽然目前WetStation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（SingleChamber）改为多反应室（MultiChamber），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（DoubleSideclean）方式受到厂商的欢迎，DNS与LamRC为PostCMPclean的主要厂商。

若再从单晶圆型态与WetStation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，WetStation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WetStation超过四成的衰退幅度，并