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

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半导体清洗设备制程技术与设备市场分析

（台湾）自化技市

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）清洗制程主要是希翼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、现场作业员或者制程工程师人体自身与动作的影响、化学材料或者

制程药剂残留或者不纯度的发生，以及制程反应产生物的结果，特别是

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多槽湿式清洗向来是晶圆清洗的主要技术，无非随着

近年来制程与清洗设备的演进，非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，其中特别是重金属离子所引起的不纯度，将

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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-o^generation（点产生）与point-oJuse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，而在晶圆清洗部份也

概略分为先后段清洗两部份（在晶圆生产处理过程中大致可区分为

前段与后段制程，先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、光阻去除先后的清洗、CMP制程后之清洗等.

由于晶圆污染来源除普通微粒（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

于脏污被氧化层或者有机物薄膜所深埋，即使经过多次的物理力洗濯或者

冲刷，均无法彻底去除此脏污，并有可能产生回污或者交互污染。因此，

清洗的方法除了物理力或者溶解的洗净外，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），便成为了不可或者缺的关

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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：⑴多槽

全自动清洗设备(WetStation；(2)单槽清洗(SingleBath设)备;

⑶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

loAPM：NH4OH/H2O2/H2O去除微粒、金属离子与轻有机物。

2oHPM：HC1/H2O2/H2O去除重金属离子、碱金属离子与金

属的氢氧化物。

3oDHF：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。

去除自然的二氧化硅层。

5OFPM：HF/H2O2/H2O

6.BHF：HF/NH4F去除氧化薄膜。

7.HotH3PO4氮化硅层之图案制作或者去除。

料来源：工研院IS械所；工研院IEK(2003/12)

一、多槽全自动清洗设备(以下简称WetStatio)n

WetStation架构上由于药液槽和纯水的清洗槽是彻底独立的，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，且其后必然接有一纯水清洗槽，再加之最后的清洗槽

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、

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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

DNSTEL、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6。1亿美元，

较2001年衰退4E2%,其中北美市场规模2.2亿美元，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SCPGlobal、TELo

表二WetStation市场规模单位：百万美元

地区别2000200120022002市场比重

(%)

北美341.3317.7218.035o7

日本311.3284o6112.018o4

南韩134o997o644.07o2

台湾271.4153.3114o518o8

亚洲与其它地区94o385o463o2l()o4

欧洲106o9100。558.79.6

全球市场1,260.21,039o0610.4100o0

料来源：Dataquest；工研院IEKQ003/12)

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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、6、8

芯片制程用化学清洗蚀刻、光阻去除、Batch式WetStatio、n零件清

洗等设备，其中弘塑科技并于2002年开辟出12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或者OneBath）清洗设备是因应12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

FSIInternationffll家公司.

三、单晶圆清洗设备

单晶圆清洗设各为这几年来各设备厂开辟相当积极的设备，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式，特别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WetStaiion与单槽清洗设备尚无

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法克服此一问题：此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；⑵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或者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，

而不会造成腐蚀或者污染的问题.

(5)离心力能破坏化学品或者DI水的表面张力，使得酸或者水能轻

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、FSLSemitooLSEZ、

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.

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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92o579.868o024.7

日本122.1135o979.328.8

南韩13o613o87o12.6

台湾63o14k561.722.4

亚洲与其它地区65o336o622o48.1

13.3

欧洲103.491o036.6

100.0

全球市场46000398.6275.1

料来源：Dataquest；工研院中心(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,WetStatio机n台主要运用在

Pre-clean>Pre-fumaceCVDclea^nWetPRstri^pPost-CMPclean

与Pre-metalclea等制程：而单晶圆清洗设备则主要用在Post-Dep.

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clean>Post-metalclean与Post-CMPclean；单槽清洗设备则运用

在Pre—clean>Pre-furnaceCVDclea^jPost-CMPcleaQ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

(Parti丽)题,而批量式型态(Batchtype)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(SingleChamb”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.

此外，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、

鸨、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

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场皆呈现市场衰退情况，无非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摆布，而WetStation超过四成的衰退幅度，并

且WetStation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。

无非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艰难。例如在transisto产r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艰难点。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，WetStatio仍n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WetStation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、WetStation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年主要半导体先后段业者持续投

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

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(Electro-platin/)及印刷法(Printing)与StudBump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-situsputtercleanWaferClean

步骤二MetalMaskUBMDeposition

步骤三UBMEvaporationEletroplatingofSolder

步骤四SolderEvaporation

步骤五SolderBalling

(资料央源:FCT公司技街资料；工研院IEK(2004/02)

由于Bumping制程也是由暴光、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MetalEtch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，加之成本上的考虑，因此

WetStation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、银、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

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用WetStation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WetStation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,WetStation主要清除物质为污染微粒、Organic与MetalIon、

NativeOxide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期、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晶圆与

Oo13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

平整度、均匀度，清洗过程中化学药液、纯水使用减量等因素，而在这

个部份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单晶圆清洗设条来说，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辟，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，