半導體清洗設備制程技術與設備場分析

1、半導體清洗設備制程技術與設備市場分析（臺灣）自？勤?化?j£?H?技?衍?典?市?埸?瓷?言R?W?ffi關鍵詞格梢全自動清洗設備Wetstation彈梢清洗設備Singlebath律晶圓清洗設備Singlewafer?散粒particle目前在半導體濕式清洗制程中，主要應用項目包含晶圓清洗與濕式蝕刻兩項，晶圓（濕式）清洗制程主要是希望藉由化學藥品與清洗設備，清除來自周遭環(huán)境所附著在晶圓表面的臟污，以達到半導體組件電氣特性的要求與可靠度。至于臟污的來源，不外乎設備本身材料產(chǎn)生、現(xiàn)場作業(yè)員或制程工程師人體自身與動作的影響、化學材料或制程藥劑殘留或不純度的發(fā)生，以及制程反應產(chǎn)生物的結(jié)果，

2、尤其是制程反應產(chǎn)生物一項，更成為制程污染主要來源，因此如何改善制程中所產(chǎn)生污染，便成為清洗制程中研究主要的課題。過去RCA多梢濕式清洗一直是晶圓清洗的主要技術，不過隨著近年來制程與清洗設備的演進，不但在清洗制程中不斷產(chǎn)生新的技術，也隨著半導體后段封裝技術的演進，清洗設備也逐漸進入封裝廠的生產(chǎn)線中。以下本文即針對清洗設備與技術作一深入介紹，并分析清洗設備發(fā)展的關鍵機會及未來的發(fā)展趨勢。晶圓表面所殘留臟污的種類非常多，約略可分成微粒、金屬離子、有機物與自然氧化物。而這些污染物中，以金屬離子對半導體組件的電氣特性有相當?shù)挠绊懥?，其中尤其是重金屬離子所引發(fā)的不純度，將嚴重影響閘氧化層的臨界崩潰電壓、起

3、始電壓漂移與P-N接合電壓，進而造成制程良率的降低。所以，針對制程所使用的化學品與純水，必須進行嚴格的純度控制以有效降低生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的污染源。由于集成電路隨著制作集積度更高的電路，具化學品、氣體與純水所需的純度也將越高，為提升化學品的純度與操作良率，各家廠商無不積極改善循環(huán)過濾與回收系統(tǒng)，如FSI公司提出point-of-generation（點產(chǎn)生）與point-of-use（點使用）相結(jié)合，比起傳統(tǒng)化學瓶的供應方式，有著更佳的純度。（注：POUCG點再生）在半導體制程中，無論是在去光阻、化學氣相沈淀、氧化擴散、晶圓研磨以后等各階段制程都需反復清洗步驟，而在晶圓清洗部分也概略分為前后段清洗

4、兩部分（在晶圓生產(chǎn)處理過程中大致可區(qū)分為前段與后段制程，前后段以金屬制作蒸鍍、濺鍍?yōu)榉纸纾?，在前段制程清洗方面，如Preclean擴散、氧化層與氮化層的去除、復晶硅蝕刻與去除。后制程段清洗方面，包含金屬間介電層與金屬蝕刻后之清洗、光阻去除前后的清洗、CMP制程后之清洗等。由于晶圓污染來源除一般微粒（particle）附著于晶圓表面上，并可能是污染物與晶圓表面之間產(chǎn)生連接，包含如多種化學鍵結(jié)，甚至于臟污被氧化層或有機物薄膜所深埋，即使經(jīng)過多次的物理力洗濯或沖刷，均無法徹底去除此臟污，并有可能產(chǎn)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凈外，對于晶圓表面施予微量蝕刻（Micro-etc

5、hing）的化學清洗方式（如下表一），便成了不可或缺的關鍵技術。半導體清洗設備以清洗方式目前依分類大致可分為：（1）多梢全自動清洗設備(WetStation);(2)單梢清洗(SingleBath)設備；(3)單晶圓清洗(SingleWafer)設備等幾大類。表一清洗液種類與其使用目的清洗液名稱1. APM:NH4OH/H2O2/H2O2. HPM:HCl/H2O2/H2O3. DHF:HF/DI4. SPM:H2SO4/H2O25. FPM:HF/H2O2/H2O6. BHF:HF/NH4F7. HotH3PO4資料來源：工研院械械所；工研院目的去除微粒、金屬離子與輕有機物。去除重金屬離子、

6、堿金屬離子與金屬的氫氧化物。去除自然的二氧化硅層、硅玻璃(PSG,BPSG)以及銅以夕卜的金屬離子便裸露硅層提供其它化學液作用。去除重有機物與氧化物。去除自然的二氧化硅層。去除氧化薄膜。氮化硅層之圖案制作或去除。IEK(2003/12)一、多梢全自動清洗設備(以下簡稱WetStation)WetStation架構(gòu)上由于藥液梢和純水的清洗梢是完全獨立的，所以多梢且占地大便成為其主要特征，而藥液梢中通常具有溫度控制器、流量控制器、液面感知器以及循環(huán)系統(tǒng)等。導因于不同藥液分置于不同的梢中，且其后必定接有一純水清洗梢，再加上最后的清洗梢與干燥梢，整個清洗系統(tǒng)不龐大都很難。然而其優(yōu)點為應用范圍較廣、產(chǎn)能

7、高且產(chǎn)品技術成熟度高；而其缺點為潔凈室占地大、化學品與純水耗量多、蝕刻均勻度控制不易、晶圓間互污嚴重、設備機動調(diào)整彈性度不高。由于此種清洗方式之設備發(fā)展較早，因此產(chǎn)品應用相當成熟，如DNS、TEL、Kaijo、Mattson、SCP、SEZ等廠商皆有推出WetStatation的產(chǎn)品，目前市場的產(chǎn)品仍以日制為主。就目前整體市場來說，全球WetStatation清洗設備市場規(guī)模2002年市場規(guī)模為6.1億美元，較2001年衰退41.2%,其中北美市場規(guī)模2.2億美元，為全球最大WetStatation市場，其次為臺灣與日本市場，市場規(guī)模分別為1.15億與1.12億美元。就主要廠商來說，目前DNS

8、握有最大市場占有率，其次為SCPGlobal、TEL。表二WetStation市場規(guī)模單位：白力美兀地區(qū)別2000200120022002市場比重(%)北美341.3317.7218.035.7日本311.3284.6112.018.4南韓134.997.644.07.2臺灣271.4153.3114.518.8亞洲與具它地區(qū)94.385.463.210.4歐洲106.9100.558.79.6全球市場1,260.21,039.0610.4100.0資料來源：Dataquest;工研院IEK(2003/12)在國內(nèi)廠商方面包含弘塑、嵩展科技已推出RCA清洗制程產(chǎn)品，目前已生產(chǎn)應用于IC半導體及

9、光電通訊用4口寸、6口寸、8口寸芯片制程用化學清洗蝕刻、光阻去除、Batch式WetStation、零件清洗等設備，其中弘塑科技并于2002年開發(fā)出12口寸晶圓制程的Batch式WetStation清洗設備機臺。二、單梢清洗設備單梢式（SingleBath或OneBath）清洗設備是因應12口寸晶圓時代來臨，減少占地面積、減少清洗步驟，以及降低化學液用量之新式清洗設備。此類設備將藥液梢和純水的清洗梢結(jié)合在一起，所以單梢且占地小便成為其主要特征。其優(yōu)點為較佳的環(huán)境制程與微?？刂颇芰?、潔凈室占地小、化學品與純水耗量較少、設備機動調(diào)整彈性度較高；而其產(chǎn)能較低、晶圓間仍有互污為主要缺點，目前較少廠商采

10、用此類型的設計。在單梢清洗設備主要供貨商方面，有DNS、CFM、Steag與FSIInternational四家公司。三、單晶圓清洗設備單晶圓清洗設備為這幾年來各設備廠開發(fā)相當積極的設備，其主要優(yōu)點包含提高制程環(huán)境控制能力與微粒去除率、設備占地小、化學品與純水耗量少、極富彈性的制程調(diào)整能力等特色，使其具有成為未來IC晶圓廠清洗設備的主流的架勢，尤其單晶圓旋轉(zhuǎn)清洗設備在Metal后的清洗，因其能有效解決Pattern經(jīng)清洗后所造成腐蝕破壞的現(xiàn)象，進而改善良率的下降，而WetStation與單梢清洗設備尚無法克服此一問題。另外單晶圓清洗設備并可根據(jù)需求，可以分為：（1）旋轉(zhuǎn)清洗與高壓噴灑；（2）超

11、音波刷洗等方式，單晶圓清洗設備特色包括：(1)每片的制程時間短，亦即數(shù)秒的噴酸完后便迅速以DI水洗凈，使得化學藥液與Layer來不及反應，而不致造成Pattern的破壞。(2)較高的制程控制環(huán)境，使得晶圓能獲得較高的均勻度與低污染。(3)每片晶圓均是以新鮮的酸與DI來清洗，故再現(xiàn)性高且不會有化學品污染的問題。(4)若采旋轉(zhuǎn)清洗方式則能在Deeptrench或HighAspectratio的接觸窗中產(chǎn)生一個負壓，使得殘留的化學品與反應產(chǎn)物能被吸出，而不會造成腐蝕或污染的問題。(5)離心力能破壞化學品或DI水的表面張力，使得酸或水能輕易進入溝洞中，以利化學反應的產(chǎn)生。目前在單晶圓清洗設備市場包括D

12、NS、FSI、Semitool、SEZ、TEL、Verteq等公司。就目前整體市場來說，整體濕式清洗設備市場規(guī)模2002年市場規(guī)模為2.7億美元，較2001年衰退30.9%,日本市場規(guī)模7900萬美元為全球最大的市場，其次為美國與臺灣。而就單晶圓清洗設備主要廠商方面，目前SEZ握有四成最大市場占有率，2002年銷售金額約達1.1億美元，其次為FSI與Semitool公司，各約占兩成的市占率。SEZ在單晶圓設備最大之優(yōu)勢為其化學品供給與使用機構(gòu)，SEZ在單晶圓清洗設備項目具有化學品可重復使用之專利，因此可大量節(jié)省化學品之用量。國內(nèi)清洗設備廠商弘塑、嵩展科技，近兩年亦積極發(fā)展單晶圓清洗制程之生產(chǎn)設

13、備，其中弘塑清洗單晶圓清洗設備UFO200mm系列產(chǎn)品于去年并進入晶圓大廠進行試產(chǎn)。目前國內(nèi)單晶圓清洗市場規(guī)模為6,100萬美元，其中12口寸單晶圓清洗型式將是今明兩年國內(nèi)清洗設備市場的主力需求。表三單晶圓清洗設備市場規(guī)模單位：百萬美元地區(qū)別2000200120022002市場比重(%)北美92.579.868.024.7日本122.1135.979.328.8南韓13.613.87.12.6臺灣63.141.561.722.4亞洲與其它地區(qū)65.336.622.48.1歐洲103.491.036.613.3全球市場460.0398.6275.1100.0資料來源：Dataquest;工研院系

14、墨瓷中心(2003/12)清洗設備之技術與市場趨勢一、單晶圓清洗設備之發(fā)展目前清洗設備根據(jù)制程應用上來說，WetStation機臺主要運用在Pre-cleanPre-furnaceCVDcleanWetPRstrip、Post-CMPclean與Pre-metalclean等制程；而單晶圓清洗設備則主要用在Post-Dep.clean、Post-metalclean與Post-CMPclean;單梢清洗設備則運用在Pre-cleanPre-furnaceCVDclean與Post-CMPclears在Post-Metal清洗方面，單晶圓設備占有較大之競爭優(yōu)勢，主要是對晶圓廠而言，Post-Me

15、tal清洗步驟較著重于腐蝕(Corrosion)與微粒(Particle)問題，而批量式型態(tài)(Batchtype)由于是濕式沉浸(WetImmersion)方式，故較易產(chǎn)生腐蝕的問題。雖然目前WetStation的價格較高，機臺尺寸也最大，但晶圓廠優(yōu)先考慮產(chǎn)能與制程技術穩(wěn)定性下，故仍有一定的市場；但另一方面，單晶圓清洗設備業(yè)者也不會坐視市場大餅而不行動，積極將設備作最好的改善，例如由單反應室(SingleChamber取為多反應室(MultiChamber),不僅產(chǎn)能提升加倍，機臺尺寸亦不致增加過多，且其價格亦具有競爭力。另外，由于銅制程處理完成后也需要清洗制程，配合半導體銅制程的快速發(fā)展，銅

16、制程CMP后之清洗設備也是單晶圓清洗設備型態(tài)中成長相當大的一部份。CMP需利用清洗制程去除外來污染物與研磨產(chǎn)生之表面損傷，利用不同之研磨漿料組成及研磨材質(zhì)如二氧化硅、鴇、鋁銅合金、銅等材料進行清洗，以確保后續(xù)薄膜沉積、微影等制程良率，此部份將是單晶圓清洗的主要應用之一。目前此部份主要以單晶圓為主的設計架構(gòu)，采雙面清洗(DoubleSideclean)方式受到廠商的歡迎，DNS與LamRC為PostCMPclean的主要廠商。若再從單晶圓型態(tài)與WetStation的市場規(guī)模進行分析比較，2002年由于景氣不佳整體設備需求下滑，WetStation與單晶圓清洗設備市場皆呈現(xiàn)市場衰退情況，不過若以兩

17、者的衰退幅度比較，單晶圓清洗設備衰退幅度約在三成左右，而WetStation超過四成的衰退幅度，并且WetStation市場可能持續(xù)遭到單晶圓的挑戰(zhàn)而進一步下滑，因此可以預見單晶圓清洗技術將是未來晶圓廠的主流清洗型態(tài)不過以目前半導體清洗制程情況來分析，要將所有洗凈制程以單晶圓型態(tài)清洗仍有其困難。例如在transistor產(chǎn)品于熱處理前(FEOL)的洗凈上，以及若要使用黏綢性較高的清洗液(如SPM配方)進行單晶圓旋轉(zhuǎn)清洗，目前都仍有一些處理上的困難點。因此，對于未來半導體廠于清洗設備的配置上，在晶圓廠面對少量多樣產(chǎn)品的生產(chǎn)型態(tài)，WetStation仍有其發(fā)展空間，然而整體來看，清洗設備將以單晶圓

18、型式為主體，再搭配批次型WetStation的組成結(jié)構(gòu)，會是未來晶圓廠于清洗設備的主要需求趨勢。二、WetStation于后段封裝凸塊制程中的新市場機會未來電子產(chǎn)品在散熱性、電氣特性、腳數(shù)、以及封裝后體積日益嚴苛的要求下，新一代以凸塊(以下簡稱Bumping)為主的覆晶封裝技術在近兩年快速發(fā)展，由于國內(nèi)各大封裝廠商皆看好覆晶與Bimping技術的應用市場，在2002年主要半導體前后段業(yè)者持續(xù)投入大量資源于覆晶相關技術的研發(fā)。目前主要投入焊錫凸塊生產(chǎn)的廠商，包括前段晶圓龍頭大廠臺積電，封測業(yè)者則有日月光、硅品、悠立、米輯等廠商。在覆晶技術中，Bumping的制作為覆晶技術的成敗關鍵，Bumpin

19、g制程主要可有四種方式制作，包含蒸鍍法、電鍍法(Electro-plating)以及印刷法(Printing)與StudBump等方式，其中蒸鍍法、電鍍法的在Bumping制程與半導體前段制程類似，其主要制程步驟如表四所示。表四蒸鍍與電鍍的Bumping制程主要制程步驟一步驟二步驟三步驟四蒸鍍制程In-situsputtercleanMetalMaskUBMEvaporationSolderEvaporation電鍍制程WaferCleanUBMDepositionEletroplatingofSolder步驟五SolderBalling(資料來源：FCT公司技街資料；工研院IEK(2004/

20、02)由于Bumping制程也是由曝光、顯影、蝕刻等制程制作，因此在制程進行中也是需要濕式清洗的設備。如Sputter前清洗、上光阻后、電鍍后、UBM電鍍后之MetalEtch均可使用濕式清洗方式，由于其Bumping制程需求不若前段制程精細，加上成本上的考慮，因止匕WetStation在Bumping制程上有不錯的發(fā)展空間。但由于在后段主要清洗的主要包含銅、銀、鈦等污染物與前段不盡相同，因此在后段Bumping之清洗所使用的清洗溶液也與前段有所不同。目前就Bumping制程來說，國際的設備大廠分別組成SECAP與APIA兩大聯(lián)盟競逐，其中清洗設備方面雖然也有廠商如SEZ在APIA聯(lián)盟中提供以

21、單晶圓清洗設備進行Bumping后之清洗，目前Bumping生產(chǎn)線而言，由于在成本與制程上考慮主要半導體廠商多使用WetStation進行Bumping后之清洗，而在此項設備方面，目前國內(nèi)也有嵩展、弘塑等廠商推出WetStation設備于Bumping制程中所使用。廠商未來發(fā)展趨勢與國內(nèi)設備廠商發(fā)展機會清洗設備在主要清洗物質(zhì)依制程不同而清除對象而有所差異,WetStation主要清除物質(zhì)為污染微粒、Organic與MetalIon、NativeOxide等；而單晶圓設備則對污染微粒與金屬有較佳的去除效果。然而，隨著半導體廠著重于縮短時間、降低成本、更好的制程表現(xiàn)、低污染與低耗能等訴求，目前全球

22、各大設備廠也不斷以單芯片清洗設備為主要研發(fā)機種。就單晶圓清洗設備來說，雖然成本較高，但在前段12口寸晶圓與0.13微米以下的制程發(fā)展趨勢下，未來的主要應用在反應上將強調(diào)平坦度、均勻度，清洗過程中化學藥液、純水使用減量等因素，而在這個部分廠商嘗試以引入臭氧水、界面活性劑與megasonic震蕩的清洗技術達成此目標。以目前12口寸單晶圓清洗設備來說，而純水的消耗量僅為批次式設備的10分之1,硅及氧化硅消耗也低于批次式技術。為了增加單晶圓清洗設備的產(chǎn)出，多反應室的架構(gòu)(Mutichamber)的單晶圓清洗設備也有許多廠商進行開發(fā)，將較傳統(tǒng)批次式技術縮短約2030%生產(chǎn)周期，目前SEZ、DNS皆有推出RCA配方進行單晶圓前段、后段的清洗設備。止匕外，目前并有