半導體製程對水質要求極高，而卻水器是確保製程用水純淨度的關鍵設備。「卻水器與製程」的緊密關係，體現在卻水器如何影響不同製程步驟（如光刻、蝕刻、薄膜沉積）的良率和產品品質。本指南深入分析不同類型卻水器（離子交換樹脂、反滲透膜、超濾膜、EDI系統等）在各製程階段的應用，並比較其在去除離子、有機物及微粒方面的優缺點，以及運行成本和維護頻率等因素。 根據多年經驗，建議使用者在選擇卻水器時，需仔細評估不同製程對水質參數（電阻率、TOC等）的具體要求，並選擇最符合成本效益的方案。 此外，定期維護和監控水質，能有效預防堵塞、洩漏等問題，確保製程的穩定運行，最終提升產品良率和降低生產成本。
這篇文章的實用建議如下(更多細節請繼續往下閱讀)
- 精準評估製程用水需求，選擇最適卻水器： 不同半導體製程步驟（光刻、蝕刻、薄膜沉積等）對水質參數（電阻率、TOC、顆粒數、離子濃度等）的要求各異。在選擇卻水器（RO、EDI、UF等）時，務必先詳細分析您的製程對水質的具體需求，並選擇能滿足這些需求且兼顧成本效益的系統組合，切勿一味追求高規格而忽略實際應用。例如，光刻製程需高純度超純水，可能需要RO+EDI+UF的組合；而某些清洗步驟則可能只需RO系統即可。
- 建立完善的卻水器監控與維護機制： 定期監控卻水器系統的運行狀態（水質指標、壓力、流量等），並根據監控數據制定預防性維護計畫，及時更換濾芯、清洗膜組件等。及早發現並解決潛在問題（堵塞、洩漏等），能有效避免因水質不穩定而導致製程良率下降，甚至停工，大幅降低生產成本。 建議建立記錄系統，追蹤維護歷史，預測潛在問題發生。
- 持續優化卻水器系統參數及流程： 根據製程的實際情況及監控數據，定期調整卻水器系統的運行參數（例如流量、壓力等），以達到最佳的淨水效果和最低的運行成本。 同時，也應持續關注業界最新的卻水器技術和節能環保方案，例如智能化卻水器系統，以提升系統效率並降低能耗，進一步提升整體生產效益。
光刻製程中的卻水器應用
光刻製程是半導體製造中最關鍵的步驟之一，其精密度直接影響最終晶片的效能與良率。在這個過程中，高純度的超純水扮演著至關重要的角色，從清洗光罩、晶圓到沖洗光阻劑，都需要用到品質穩定且符合規格的卻水。因此，選擇和優化光刻製程中的卻水器系統至關重要，它不僅影響製程的良率，更會直接關係到生產成本和環保效應。
光刻製程用水質需求
光刻製程對用水質的要求極其嚴苛，任何雜質都可能導致光阻劑缺陷，影響圖案的精確度，進而影響晶片的功能。主要考量指標包括：
- 電阻率：通常需要達到18.2 MΩ·cm以上，以確保電流不會干擾光刻過程。
- 總有機碳 (TOC)：必須控制在極低的水平 (例如，ppb級)，因為有機物會吸附在晶圓表面，影響光阻劑的塗佈和顯影。
- 顆粒：任何顆粒都可能造成光阻劑缺陷，因此需要嚴格控制顆粒數量和大小，通常要求在每毫升中顆粒數量少於1個。
- 離子濃度：特定離子，例如鈉離子、鉀離子等，會影響光阻劑的性能，因此需要嚴格控制其濃度。
- 微生物：微生物的存在會影響水質的穩定性，並可能造成製程污染，因此需要有效控制微生物的數量。
不同類型的光刻技術對水質的要求也略有不同，例如，浸潤式光刻對水質純度要求更高，需要更有效的卻水系統來確保水質的穩定性及純淨度。任何水質的波動都可能導致光刻製程良率下降，甚至造成產品報廢。
適用於光刻製程的卻水器類型
為了滿足光刻製程對高純度超純水的需求，通常會採用多級淨化系統，常見的卻水器類型包括：
- 反滲透 (RO) 系統：去除水中的大部分離子、有機物和顆粒，作為預處理階段。
- 電去離子 (EDI) 系統：利用電場和離子交換樹脂去除離子，效率高且無需頻繁更換樹脂。
- 超濾 (UF) 系統：去除水中顆粒和膠體物質，進一步提高水質純度。
- 紫外線 (UV) 殺菌系統：去除水中的微生物，確保水質的無菌性。
這些卻水器通常會組合使用，形成一個多級淨化系統，以確保最終產出的超純水符合光刻製程的嚴格要求。系統的設計需要考慮到製程用水量、水質指標、運行成本以及維護方便性等因素。
卻水器系統優化策略
為了確保光刻製程的順利進行，需要定期監控卻水器的運行狀態，並採取有效的優化策略。這包括：
- 定期維護：包括更換濾芯、清洗膜組件、檢查系統洩漏等，以確保系統的穩定運行。
- 水質監控：實時監控水質指標，例如電阻率、TOC、顆粒數量等，及時發現並解決水質異常情況。
- 系統優化：根據實際情況調整系統的運行參數，例如流量、壓力等，以提高系統的效率和降低運行成本。
- 預防性維護：根據設備使用情況制定預防性維護計劃，減少設備故障的發生，避免因設備故障而影響生產。
有效的卻水器系統管理不僅能確保光刻製程用水質的穩定性，還能降低生產成本，提高產品良率，並提升整體的生產效率。選擇合適的卻水器類型並制定有效的優化策略，對半導體製造廠的成功至關重要。
蝕刻製程：卻水器選擇與優化
蝕刻製程是半導體製造中至關重要的步驟，其目的在於選擇性地移除晶圓上的特定材料，以形成所需的電路圖案。此過程對水質的要求極高，因為任何雜質都可能導致蝕刻速率不均、圖案缺陷甚至產品報廢。因此，選擇和優化卻水器系統在蝕刻製程中扮演著關鍵角色。
相較於光刻製程，蝕刻製程對卻水器的要求更為嚴苛。主要原因在於蝕刻液本身具有腐蝕性，容易與水中雜質反應，產生沉澱物或影響蝕刻效能。此外，蝕刻後清洗步驟也需要高純度的水來徹底去除殘留的蝕刻液，避免影響後續製程。因此，蝕刻製程中的卻水器系統需要具有更高的去除能力和穩定性。
蝕刻製程中卻水器的關鍵考量因素
選擇適合蝕刻製程的卻水器系統，需要考量以下幾個關鍵因素：
- 去除離子能力：蝕刻液中的離子，例如金屬離子，可能殘留在晶圓表面，影響後續製程。因此，卻水器必須具備高效去除各種離子的能力，例如採用反滲透(RO)或電去離子(EDI)技術。
- 去除有機物能力：有機物會影響蝕刻液的穩定性和蝕刻速率，甚至導致蝕刻圖案缺陷。因此，卻水器需要具備高效去除總有機碳(TOC)的能力，例如採用超濾(UF)或活性炭吸附技術。
- 去除微粒能力：微粒可能沉積在晶圓表面，造成蝕刻圖案缺陷。因此，卻水器需要具備高效去除微粒的能力，例如採用超濾(UF)或精密過濾技術。
- 水質穩定性：卻水器系統必須確保產出的水質穩定，避免水質波動影響蝕刻製程的穩定性。這需要定期監控和維護卻水器系統，並採用具備自我監控和故障警報功能的智能化系統。
- 運行成本：不同類型的卻水器系統具有不同的運行成本，包括能源消耗、耗材更換成本以及維護成本。選擇卻水器系統時需要考慮其整體的運行成本，並選擇性價比最高的方案。
- 系統可靠性：蝕刻製程通常需要24小時不間斷運行，因此卻水器系統必須具備高可靠性和穩定性，以確保製程的順利進行。選擇具有冗餘設計和備份系統的卻水器，可以有效降低系統故障的風險。
優化策略
為了優化蝕刻製程中的卻水器系統，可以採取以下策略：
- 定期監控水質：定期監控卻水器產出的水質，包括電阻率、TOC、離子濃度和微粒數量，可以及時發現問題並採取措施。
- 優化系統參數：根據實際情況調整卻水器系統的運行參數，例如壓力、流量和再生頻率，可以提高卻水器的效率和產水質量。
- 定期維護：定期維護卻水器系統，例如更換濾芯、清洗膜元件和檢查系統部件，可以延長卻水器的壽命並確保其穩定運行。
- 採用智能化系統：採用具備自我監控和故障警報功能的智能化卻水器系統，可以提高系統的可靠性和效率，並降低維護成本。
- 選擇合適的卻水器組合：針對不同的蝕刻液和蝕刻工藝，選擇合適的卻水器組合，例如將RO、EDI和UF技術組合使用，可以實現最佳的水質淨化效果。
總而言之，在蝕刻製程中，選擇和優化卻水器系統至關重要。通過仔細考慮上述因素並採取有效的優化策略，可以確保蝕刻製程的穩定性和產品良率，並最終降低生產成本，提升整體效益。
卻水器與製程. Photos provided by unsplash
薄膜沉積：卻水器與製程潔淨度
薄膜沉積製程，例如化學氣相沉積 (CVD) 或物理氣相沉積 (PVD)，對水質的要求極為嚴格，因為任何水質中的雜質都可能嚴重影響薄膜的品質，導致缺陷、降低良率，甚至完全失敗。這不僅關係到最終產品的性能，更會直接影響到生產成本。因此，在薄膜沉積製程中，卻水器的選擇與最佳化至關重要，其作用遠遠超越單純的清洗。
水質是影響薄膜沉積製程潔淨度的關鍵因素之一。 在CVD製程中，反應氣體的純淨度至關重要，而用於清洗反應腔體和相關設備的卻水，如果含有雜質例如離子、有機物或顆粒，這些雜質可能殘留在設備表面，進而污染反應氣體，導致薄膜產生缺陷，例如：晶粒尺寸不均勻、薄膜應力過大、表面粗糙度增加等等。同樣地，在PVD製程中，濺射靶材或蒸鍍材料的表面潔淨度直接影響薄膜的品質，而清洗設備時使用的卻水品質，也同樣會影響到靶材或蒸鍍材料表面的潔淨度，最終影響薄膜品質。
CVD製程中的卻水器應用
- 超純水的重要性：CVD製程通常需要超純水來清洗反應腔體，以去除反應過程中產生的殘留物，例如：未反應的氣體、副產物以及可能吸附在腔壁上的雜質。超純水的電阻率通常需要達到18.2 MΩ-cm以上，TOC含量則需要控制在極低的水平。
- 卻水器類型選擇： 針對CVD製程，通常會採用多級過濾系統，例如反滲透(RO)、超濾(UF)、以及電去離子(EDI)系統的組合，以有效去除離子、有機物和顆粒。此外，線上監控系統的加入可以即時監控水質，確保水質的穩定性，並及時發現並解決潛在問題。
- 特殊處理的需求：某些CVD製程可能需要去除特定種類的離子或有機物，例如：某些金屬離子或特定有機分子，這就需要針對性地選擇卻水器類型以及調整運行參數。
PVD製程中的卻水器考量
- 顆粒控制：在PVD製程中，顆粒污染是影響薄膜品質的重要因素之一。因此，卻水系統需要有效去除顆粒，這通常需要用到0.1μm或更精細的過濾器。
- 清洗方式的選擇：根據不同的PVD製程和設備結構，清洗方式可能有所不同，例如超音波清洗或噴淋清洗，這也會影響到卻水器的選擇和運行參數的設定。
- 水質監控的必要性：及時的線上監控對於確保PVD製程的潔淨度至關重要。定期檢測水質中的顆粒、離子以及有機物含量，可以有效預防潛在的污染問題。
最佳化策略：除了選擇合適的卻水器類型外，最佳化卻水器的運行參數，例如水流速度、壓力以及清洗時間等，對於提高製程潔淨度和降低運行成本同樣至關重要。 定期維護，包括更換濾芯、清洗EDI模組等，也是確保卻水器長期穩定運行和維持水質的重要措施。 忽略任何一個環節都可能導致薄膜沉積製程的失敗，增加生產成本，並最終影響產品良率。
案例分析：在一個實際案例中，由於卻水系統的超濾膜堵塞，導致水質下降，最終導致沉積的薄膜出現大量的顆粒缺陷，直接影響了產品良率。及時的更換超濾膜並優化清洗流程，有效解決了這個問題。這個案例也再次說明瞭卻水器維護和監控的重要性。
| 製程類型 | 卻水器應用 | 關鍵考量因素 | 最佳化策略 |
|---|---|---|---|
| CVD | 超純水 (18.2 MΩ-cm以上，極低TOC) | 反應氣體純淨度；殘留物去除 (未反應氣體、副產物、吸附雜質)；離子、有機物、顆粒污染 | 多級過濾系統 (RO, UF, EDI)；線上監控系統；針對性選擇卻水器類型及調整運行參數；定期維護 (更換濾芯、清洗EDI模組) |
| 多級過濾系統 (RO, UF, EDI) | 晶粒尺寸不均勻；薄膜應力過大；表面粗糙度增加 | ||
| 特定離子或有機物去除 | 特定金屬離子或有機分子污染 | ||
| PVD | 有效顆粒去除 (0.1μm或更精細過濾器) | 顆粒污染；靶材/蒸鍍材料表面潔淨度 | 選擇合適的清洗方式 (超音波清洗或噴淋清洗)；線上監控系統；定期檢測顆粒、離子、有機物含量；優化運行參數 (水流速度、壓力、清洗時間)；定期維護 |
| 適當的清洗方式 (超音波清洗或噴淋清洗) | 薄膜品質 | ||
| 線上水質監控 | 潛在污染預防 | ||
| 水質是影響薄膜沉積製程潔淨度的關鍵因素之一。忽略任何環節都可能導致薄膜沉積製程失敗，增加生產成本，並最終影響產品良率。 | |||
清洗製程：卻水器效能評估
半導體製程中的清洗步驟至關重要，它直接影響著後續製程的良率和產品品質。殘留的化學藥劑、微粒和有機物都可能導致缺陷，因此，清洗製程對卻水器的效能要求極高。有效的卻水器選擇和最佳化策略，能確保清洗徹底，並有效降低生產成本。
在清洗製程中，卻水器的效能評估主要圍繞著幾個關鍵指標展開。首先是去除效率，這指的是卻水器去除特定污染物的能力。不同的清洗步驟可能需要去除不同的污染物，例如光阻去除後的殘留光阻材料，蝕刻後殘留的蝕刻殘渣等等。針對不同的污染物，需要選擇具有針對性去除能力的卻水器系統。例如，對於有機物污染，反滲透膜和超濾膜可能效果有限，而EDI系統或結合活性炭濾芯的系統則能有效去除TOC。
其次是水質穩定性。清洗製程需要持續穩定高品質的超純水，才能保證清洗效果的一致性。水質的波動，例如電阻率、TOC和微粒數的突然變化，都可能導致清洗不徹底，甚至影響到後續製程。因此，選擇具有穩定運行能力的卻水器，並定期監控水質參數至關重要。這也需要考量卻水器的耐用性和可靠性，一個故障率高的卻水器系統會頻繁中斷生產，造成巨大的經濟損失。
評估指標與考量因素
- 電阻率(Resistivity): 超純水的電阻率是評估其純度的重要指標。清洗製程通常需要極高的電阻率，以避免離子污染影響後續製程。
- 總有機碳(TOC): 有機物污染物會影響蝕刻、沉積等製程，因此控制TOC含量至關重要。高效的卻水器應能有效降低TOC。
- 微粒計數(Particle Count): 微粒污染會造成晶片缺陷，因此需要選擇能有效去除微粒的卻水器，例如搭配0.22μm或更小的過濾膜。
- 運行成本： 包括水、電、化學藥劑以及維護成本。需要綜合考慮卻水器的初始投資和長期運行成本。
- 維護頻率： 頻繁的維護會中斷生產，提高成本。選擇低維護頻率且易於維護的卻水器系統非常重要。例如，需考慮樹脂的更換週期、膜的壽命以及系統的自動清洗功能等。
- 系統的監控與數據記錄能力： 現代化的卻水器系統通常配備數據監控與記錄功能，能方便追蹤水質變化，及時發現問題並進行調整，提升系統的效率和可靠性。
案例分析：例如，在清洗光阻過程中，如果發現清洗後仍有殘留光阻，則需要檢測卻水器的去除效率，並檢查其是否堵塞。可能需要更換過濾膜，或調整清洗流程和參數。若發現水質不穩定，則需要檢查卻水器的各個組件，例如反滲透膜的狀態、樹脂的飽和度以及EDI單元的運行情況，並進行相應的維護或更換。 透過定期分析水質數據，並結合製程良率數據，能更有效地評估卻水器的效能，並找出潛在問題。
高效的卻水器效能評估不僅僅是單純的指標監測，更需要結合製程需求、成本考量以及長期運行穩定性等多方面因素進行綜合評估。只有選擇最適合的卻水器系統，並制定完善的維護和監控策略，才能確保清洗製程的效率和穩定性，最終提升半導體產品的良率和品質。
卻水器與製程結論
綜上所述，半導體製程的成功與否，與卻水器與製程之間的緊密配合息息相關。從光刻、蝕刻、薄膜沉積到清洗等每個步驟，都對水質純淨度提出了極高的要求。 選擇和優化卻水器系統並非單純的設備選購，而是需要全盤考量製程用水需求、水質指標、運行成本、維護便利性等多方面因素的系統工程。
本文深入探討了不同類型卻水器在不同半導體製程中的應用，並分析了其優缺點。 我們強調了定期監控水質、及時維護、以及根據製程需求調整系統參數的重要性。 有效的卻水器與製程整合，能確保水質穩定，避免因水質問題導致製程良率下降、產品缺陷增加以及生產成本上升。
透過本文提供的案例分析和優化策略，希望讀者能更深入地理解卻水器在半導體製程中的關鍵作用，並在實際應用中選擇最合適的卻水器類型，制定最有效的最佳化策略，從而提升產品良率、降低生產成本，最終提升整體生產效益。 持續關注卻水器技術的最新發展趨勢，例如節能環保型卻水器和智能化卻水器系統，將有助於進一步優化卻水器與製程的整合，實現半導體製造的精益求精。
成功掌握卻水器與製程的最佳協同關係，是提升半導體製造競爭力的關鍵之一。
卻水器與製程 常見問題快速FAQ
Q1. 如何選擇適合特定半導體製程的卻水器類型？
選擇適合特定半導體製程的卻水器類型，需要仔細評估製程對水質的要求。例如，光刻製程需要極高電阻率和極低TOC的水，適合採用多級淨化系統，包含反滲透、電去離子以及超濾等技術。蝕刻製程則需要高效去除離子、有機物和微粒的水，可能需要反滲透、EDI、超濾等技術組合。薄膜沉積製程則需要更嚴格的顆粒控制，以及針對性的污染物去除，可能需要精密的過濾和嚴格的水質監控。 最後，要考慮到運行成本、維護頻率和系統可靠性等因素，綜合評估不同類型卻水器的效益。
Q2. 如何監控卻水器系統的運行，並預防常見問題，例如水質不穩定或堵塞？
監控卻水器系統的運行，需要定期監控水質參數，例如電阻率、TOC、微粒計數、離子濃度等等。 定期檢測這些參數，並建立基準值，一旦發現水質出現異常，應立即找出原因並採取補救措施，例如：檢查濾芯是否堵塞、清洗膜元件、更換耗材、調整運行參數等。此外，定期維護，例如更換濾芯、清洗膜組件、檢查系統洩漏等，也是預防常見問題如堵塞和洩漏的關鍵。 建立完整的維護日誌，記載所有監控數據和維護操作，有助於系統長期穩定運作。
Q3. 卻水器系統的運行成本如何降低？
降低卻水器系統的運行成本，需要從多方面著手。首先，選擇合適的卻水器組合，避免過度淨化的浪費。其次，優化系統運行參數，例如水流量和壓力，以提高效率並降低能源消耗。定期維護，確保設備正常運作，並減少維修成本。 監控水質，及時發現問題並解決，避免水質異常或設備故障造成生產延誤。 選擇節能型卻水設備，以及採用智能化控制系統，可以有效地降低運行成本和提升效率。 最後，評估不同耗材的成本，並選擇經濟實惠的替代方案，但不能犧牲水質和設備可靠性。
