半導體清洗設備制程技術與設

備市場分析

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半導體清洗設備制程技術與設備市場分析

（臺灣）自化技市

關鍵詞

多槽全自動清洗設備Wetstation

單槽清洗設備Singlebath

單晶圓清洗設備Singlewafer

微粒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）清洗制程主要是希翼藉由化學藥品與清洗

設備，清除來自周遭環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

產生、現場作業員或者制程工程師人體自身與動作的影響、化學材料或者

制程藥劑殘留或者不純度的發生，以及制程反應產生物的結果，特別是

制程反應產生物一項，更成為制程污染主要來源，因此如何改善制程

中所產生污染，便成為清洗制程中研究主要的課題。

過去RCA多槽濕式清洗向來是晶圓清洗的主要技術，無非隨著

近年來制程與清洗設備的演進，非但在清洗制程中不斷產生新的技術，

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

設備發展的關鍵機會及未來的發展趨勢.

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

電氣特性有相當的影響力，其中特別是重金屬離子所引起的不純度，將

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嚴重影響閘氧化層的臨界崩潰電壓、起始電壓漂移與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過程所產生的污染源。

由于集成電路隨著制作集積度更高的電路，其化學品、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

積極改善循環過濾與回收系統，如FSI公司提出

point-o^generation（點產生）與point-oJuse點（使用）相結合，

比起傳統化學瓶的供應方式，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，而在晶圓清洗部份也

概略分為先后段清洗兩部份（在晶圓生產處理過程中大致可區分為

前段與后段制程，先后段以金屬制作蒸鍍、濺鍍為分界），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、光阻去除先后的清洗、CMP制程后之清洗等.

由于晶圓污染來源除普通微粒（particle附）著于晶圓表面上，并

可能是污染物與晶圓表面之間產生連接，包含如多種化學鍵結，甚至

于臟污被氧化層或者有機物薄膜所深埋，即使經過多次的物理力洗濯或者

沖刷，均無法徹底去除此臟污，并有可能產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凈外，對于晶圓表面施予微量蝕刻

（Micro-etching）的化學清洗方式（如下表一），便成為了不可或者缺的關

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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：⑴多槽

全自動清洗設備(WetStation；(2)單槽清洗(SingleBath設)備;

⑶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

清洗液名稱目的

loAPM：NH4OH/H2O2/H2O去除微粒、金屬離子與輕有機物。

2oHPM：HC1/H2O2/H2O去除重金屬離子、堿金屬離子與金

屬的氫氧化物。

3oDHF：HF/DI去除自然的二氧化硅層、硅玻璃

(PSG,BPSG)以及銅以外的金

屬離子便裸露硅層提供其它化學液

作用。

4.SPM：H2SO4/H2O2去除重有機物與氧化物。

去除自然的二氧化硅層。

5OFPM：HF/H2O2/H2O

6.BHF：HF/NH4F去除氧化薄膜。

7.HotH3PO4氮化硅層之圖案制作或者去除。

料來源：工研院IS械所；工研院IEK(2003/12)

一、多槽全自動清洗設備(以下簡稱WetStatio)n

WetStation架構上由于藥液槽和純水的清洗槽是徹底獨立的，所

以多槽且占地大便成為其主要特征，而藥液槽中通常具有溫度控制

器、流量控制器、液面感知器以及循環系統等。導因于不同藥液分置

于不同的槽中，且其后必然接有一純水清洗槽，再加之最后的清洗槽

與干燥槽，整個清洗系統不龐大都很難.然而其優點為應用范圍較廣、

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產能高且產品技術成熟度高；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、設備機動調整彈

性度不高。

由于此種清洗方式之設備發展較早，因此產品應用相當成熟，如

DNSTEL、Kaijo、Mattson、SCP、SEZ等廠商皆有推出WetStatation

的產品，目前市場的產品仍以日制為主。就目前整體市場來說，全球

WetStatation清洗設備市場規模2002年市場規模為6。1億美元，

較2001年衰退4E2%,其中北美市場規模2.2億美元，為全球最大

WetStatation市場，其次為臺灣與日本市場，市場規模分別為1.15

億與1。12億美元.就主要廠商來說，目前DNS握有最大市場占有

率，其次為SCPGlobal、TELo

表二WetStation市場規模單位：百萬美元

地區別2000200120022002市場比重

(%)

北美341.3317.7218.035o7

日本311.3284o6112.018o4

南韓134o997o644.07o2

臺灣271.4153.3114o518o8

亞洲與其它地區94o385o463o2l()o4

歐洲106o9100。558.79.6

全球市場1,260.21,039o0610.4100o0

料來源：Dataquest；工研院IEKQ003/12)

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在國內廠商方面包含弘塑、嵩展科技已推出RCA清洗制程產

品，目前已生產應用于IC半導體及光電通訊用4、6、8

芯片制程用化學清洗蝕刻、光阻去除、Batch式WetStatio、n零件清

洗等設備，其中弘塑科技并于2002年開辟出12晶圓制程的

Batch式WetStation清洗設備機臺。

二、單槽清洗設備

單槽式（SingleBath或者OneBath）清洗設備是因應12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.

此類設備將藥液槽和純水的清洗槽結合在一起，所以單槽且占地

小便成為其主要特征。其優點為較佳的環境制程與微粒控制能力、潔

凈室占地小、化學品與純水耗量較少、設備機動調整彈性度較高;而

其產能較低、晶圓間仍有互污為主要缺點，目前較少廠商采用此類型

的設計。在單槽清洗設備主要供貨商方面，有DNS、CFM、Steag與

FSIInternationffll家公司.

三、單晶圓清洗設備

單晶圓清洗設各為這幾年來各設備廠開辟相當積極的設備，其主

要優點包含提高制程環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式，特別單晶圓旋轉清洗設備在

Metal后的清洗，因其能有效解決Pattern經清洗后所造成腐蝕破壞

的現象，進而改善良率的下降，而WetStaiion與單槽清洗設備尚無

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法克服此一問題：此外單晶圓清洗設備并可根據需求，可以分為:(1)

旋轉清洗與高壓噴灑；⑵超音波刷洗等方式，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，故再現性高且不

會有化學品污染的問題。

(4)若采旋轉清洗方式則能在Deeptrench或者HighAspectratio

的接觸窗中產生一個負壓，使得殘留的化學品與反應產物能被吸出，

而不會造成腐蝕或者污染的問題.

(5)離心力能破壞化學品或者DI水的表面張力，使得酸或者水能輕

易進入溝洞中，以利化學反應的產生。

目前在單晶圓清洗設備市場包括DNS、FSLSemitooLSEZ、

TEL、Verteq等公司。就目前整體市場來說，整體濕式清洗設備市場

規模2002年市場規模為2.7億美元，較2001年衰退30.9%,日本

市場規模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.

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SEZ在單晶圓設備最大之優勢為其化學品供給與使用機構，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

省化學品之用量。國內清洗設備廠商弘塑、嵩展科技，近兩年亦積極

發展單晶圓清洗制程之生產設備，其中弘塑清洗單晶圓清洗設備

UFO200mm系列產品于去年并進入晶圓大廠進行試產.目前國內單

晶圓清洗市場規模為6,100萬美元，其中12單晶圓清洗型式將

是今明兩年國內清洗設備市場的主力需求。

表三單晶圓清洗設備市場規模單位：百萬美元

地區別2000200120022002市場比重

(%)

北美92o579.868o024.7

日本122.1135o979.328.8

南韓13o613o87o12.6

臺灣63o14k561.722.4

亞洲與其它地區65o336o622o48.1

13.3

歐洲103.491o036.6

100.0

全球市場46000398.6275.1

料來源：Dataquest；工研院中心(2003/12)

清洗設備之技術與市場趨勢

一、單晶圓清洗設備之發展

目前清洗設備根據制程應用上來說,WetStatio機n臺主要運用在

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

與Pre-metalclea等制程：而單晶圓清洗設備則主要用在Post-Dep.

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clean>Post-metalclean與Post-CMPclean；單槽清洗設備則運用

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

Post-Metal清洗方面，單晶圓設備占有較大之競爭優勢，主要是對晶

圓廠而言,Post-Metal清洗步驟較著重于腐蝕(Corrosion)與微粒

(Parti麗)題,而批量式型態(Batchtype)由于是濕式沉浸(Wet

Immersion)方式，故較易產生腐蝕的問題。

雖然目前WetStation的價格較高，機臺尺寸也最大，但晶圓廠優

先考慮產能與制程技術穩定性下，故仍有一定的市場；但另一方面，

單晶圓清洗設備業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(SingleChamb”改為多反應室(Multi

Chamber),不僅產能提升加倍,機臺尺寸亦不致增加過多，且其價格

亦具有競爭力.

此外，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

的快速發展,銅制程CMP后之清洗設備也是單晶圓清洗設備型態中

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

產生之表面損傷，利用不同之研磨漿料組成及研磨材質如二氧化硅、

鴇、鋁銅合金、銅等材料進行清洗，以確保后續薄膜沉積、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，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.

若再從單晶圓型態與WetStation的市場規模進行分析比較,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

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場皆呈現市場衰退情況，無非若以兩者的衰退幅度比較，單晶圓清洗

設備衰退幅度約在三成擺布，而WetStation超過四成的衰退幅度，并

且WetStation市場可能持續遭到單晶圓的挑戰而進一步下滑，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。

無非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

晶圓型態清洗仍有其艱難。例如在transisto產r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

行單晶圓旋轉清洗，目前都仍有一些處理上的艱難點。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品的生產

型態，WetStatio仍n有其發展空間，然而整體來看，清洗設備將以單

晶圓型式為主體，再搭配批次型WetStation的組成結構，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

未來電子產品在散熱性、電氣特性、腳數、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展，由于國內各大封裝廠商皆看好覆晶與

Bimping技術的應用市場，在2002年主要半導體先后段業者持續投

入大量資源于覆晶相關技術的研發.目前主要投入焊錫凸塊生產的廠

商，包括前段晶圓龍頭大廠臺積電，封測業者則有日月光、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，

Bumping制程主要可有四種方式制作，包含蒸鍍法、電鍍法

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(Electro-platin/)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

主要制程蒸鍍制程電鍍制程

步驟一In-situsputtercleanWaferClean

步驟二MetalMaskUBMDeposition

步驟三UBMEvaporationEletroplatingofSolder

步驟四SolderEvaporation

步驟五SolderBalling

(資料央源:FCT公司技街資料；工研院IEK(2004/02)

由于Bumping制程也是由暴光、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，加之成本上的考慮，因此

WetStation在Bumping制程上有不錯的發展空間。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兩大聯盟競逐，其中清洗設備方面雖然也有廠商如SEZ在

APIA聯盟中提供以單晶圓清洗設備進行Bumping后之清洗,目前

Bumping生產線而言，由于在成本與制程上考慮主要半導體廠商多使

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用WetStation進行Bumping后之清洗,而在此項設備方面，目前國

內也有嵩展、弘塑等廠商推出WetStation設備于Bumping制程中

所使用。

廠商未來發展趨勢與國內設備廠商發展機會

清洗設備在主要清洗物質依制程不同而清除對象而有所差

異,WetStation主要清除物質為污染微粒、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期、降低成本、更好的制程表

現、低污染與低耗能等訴求，目前全球各大設備廠也不斷以單芯片清

洗設備為主要研發機種。

就單晶圓清洗設備來說，雖然成本較高，但在前段12晶圓與

Oo13微米以下的制程發展趨勢下，未來的主要應用在反應上將強調

平整度、均勻度，清洗過程中化學藥液、純水使用減量等因素，而在這

個部份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單晶圓清洗設條來說，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出，多反應室的架構

(Mutichamber)的單晶圓清洗設備也有許多廠商進行開辟，將較傳

統批次式技術縮短約2030%生產周期，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。此外，