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應用於半導體設備之高濃度臭氧陶瓷金屬電極製作及封裝技術
作者
陳玠錡、高端環、周敏傑
刊登日期:2025/09/01
摘要
目前高濃度臭氧產生系統主要應用於CVD、ALD、清洗等半導體製程中,其設備主要由國際大廠所供應,其中最關鍵的零組件耗材為臭氧產生之陶瓷電極電極,因其電極壽命只有一年左右且目前僅能由國外大廠提供。為因應先進製程中高濃度臭氧 ( > 13% ) 長時間穩定供應的挑戰,本研究針對臭氧產生器之關鍵元件─陶瓷金屬電極,提出一套具高介電強度、高附著力與高可靠度之製作與封裝技術。本文將以介電常數約9 (@1 MHz) 的氧化鋁陶瓷為基板材料,並搭配陶瓷雷射金屬化技術 (Ceramic Laser Metallization, CLM),將導電金屬電極嵌入陶瓷基板內部實現共平面結構,並透過晶圓級壓合工法進行電極模組封裝,有效降低側邊漏電、裂片風險與提升電極面積。結果顯示所製作之臭氧反應電極模組可於8 kV高電壓條件下具備優異穩定性與壽命表現,展現應用於半導體用高濃度臭氧產生器的潛力。
Abstract
High-concentration ozone generation systems are primarily employed in advanced semiconductor processes such as CVD, ALD, and wafer cleaning. These systems are predominantly supplied by major international manufacturers, with the most critical consumable component being the ceramic ozone electrode. Due to a typical operational lifespan of only about one year and the lack of domestic production capabilities, such electrodes must currently be sourced from foreign suppliers. To address the challenges of long-term stable supply of high-concentration ozone (>13%) required by advanced processes, this study proposes a fabrication and packaging methodology for the key component of ozone generators—the ceramic-metal electrode—with enhanced dielectric strength, adhesion, and reliability.
In this work, alumina ceramic with a dielectric constant of approximately 9 (at 1 MHz) is employed as the substrate material. A ceramic laser metallization (CLM) process is utilized to embed conductive metal electrodes within the ceramic substrate, forming a coplanar structure. The electrode module is then packaged using a wafer-level lamination process, which effectively reduces edge leakage, mitigates chipping risks, and increases the electrode surface area. Experimental results demonstrate that the fabricated ozone reaction electrode module exhibits excellent operational stability and lifespan under high-voltage conditions up to 8 kV, highlighting its strong potential for application in high-concentration ozone generators for semiconductor manufacturing.
前言
目前全球臭氧產生器市場規模預計從2025年的772,709,000美元增加到2030年的1,125,411,000美元,複合年成長率為7.82%。由於臭氧在自然狀態下極為不穩定且無法長時間儲存,因此必須依賴即產即用之生產製造方式;目前高濃度的臭氧產生器由於技術門檻高,核心競爭者有限,因此目前的製造商幾乎都是外商,包括美國MKS、日本住友、德國 (Anseros)、瑞典Primozone、加拿大Absolute Ozone等,在這些不同的製造廠商及不同的製程應用中,如何根據製程條件選擇適合的臭氧產生器類型及穩定的濃度範圍與輸送方式,將成為影響整體效能與生產成本的關鍵因素;有效的臭氧系統產生的型態與設計,將有助於提升製程效率、穩定性與環保效益,為先進半導體製程提供強大助益。
臭氧 (O₃) 是一種高活性、半衰期短的三原子氧分子,擁有高達 2.07 V 的氧化電位,遠高於氯氣與雙氧水。憑藉其強氧化能力,臭氧能迅速殺菌、脫色並分解多種有機污染物,廣泛應用於水處理、食品消毒、空氣淨化、生技滅菌、紙漿與紡織脫色以及化學氧化反應等領域,已成為各行各業提升潔淨與環保效率的重要技術之一。但隨著半導體產業的製程的演進,臭氧具備強氧化性與低溫反應特性以被視為關鍵製程氣體,因此專為半導體應用所設計開發的臭氧產生器,在製程中扮演了至關重要的角色。目前高濃度臭氧產生器在半導體製程中被廣泛應用在以下的製程;如
- 原子層沉積 (ALD) 與化學氣相沉積 (CVD) 中的氧化步驟:臭氧可與多種前驅氣體反應,形成高品質的金屬氧化物薄膜,如 Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂ 及 La₂O₃,提升介電層與阻障層的沉積品質。
- 氧化層生長:產生高緻密的氧化層(如SiO₂)。
- 晶圓清洗:在先進製程中,臭氧可取代傳統過氧化氫,作為強氧化劑,有效去除有機汙染,
- 光阻剝除 (Photoresist Strip):利用臭氧分解光阻的高分子鏈結結構,可實現低溫、低損耗的去除方式,有助於保護精細結構並提升製程良率。
- 鈍化層製備:臭氧與矽或氮化物前驅體反應,生成鈍化層(如SiOx或SiNx),保護晶圓免受環境影響。
臭氧生成的技術
臭氧生成的技術選擇,決定了臭氧的產率、濃度、純度與能耗效率,並對後續實際應用產業成效、操作便利性以及系統維護的穩定性產生深遠影響。目前應用最廣泛的四種臭氧產生技術;如
表1所示,包括:紫外光裂解法 (UV)、電解法 (Electrolytic Ozone Generation, EOG)、電暈放電法 (Corona Discharge, CD)、介電質屏蔽放電法 (Dielectric Barrier Discharge, DBD) [1] [2]。由於紫外光裂解法結構簡單、操作安全與成本低廉,成為低濃度臭氧應用場域的理想選擇。其原理為利用波長約 185 nm 的紫外光照射氣態氧分子 (O₂),將其裂解成單原子氧 (O),進而與其他氧分子重組形成臭氧 (O₃)。該技術無需高壓電場,也不涉及高溫反應,因此裝置簡便、啟動快速,且相對不易產生氮氧化物等副產物。然而使用紫外光裂解法所生成之臭氧濃度通常僅為 0.1–2.0 g/Nm³,難以滿足半導體製程中對高濃度、穩定性與純度的要求。此外,UV光源具熱衰退特性,隨使用時間增加,其輸出功率與臭氧生成效率將顯著下降,進一步限制了該技術在應用範圍,目前此法多應用於半導體無塵室中的空氣殺菌或非關鍵性清洗等輔助用途。相較之下,電解法更適合高純度製程的需求。此技術以純水為反應介質,透過專用陽極在水中直接產生溶解態臭氧,能有效製得無氣泡、高潔淨度的臭氧水,特別適用於奈米級結構清洗與先進封裝的界面處理。然而,該法存在電解效率低、電極成本高且具腐蝕風險等問題,加上單一模組產氣量有限,使得系統擴充與設備成本偏高。電暈放電法為目前最為成熟且應用最廣泛的高濃度臭氧生成方式,其運作原理為在兩電極間施加高壓電場,形成穩定放電區,促使氧分子產生臭氧。當使用純氧作為氣源時,其臭氧濃度可高達200 g/Nm³以上,相對於電解法,其模組化程度高、可擴充性佳並具備高產量、長時間穩定運作等優勢。此法已廣泛應用於工業廢水處理、自來水消毒、空氣淨化除臭、食品加工以及農業殺菌等領域[3][4][5][6]。由於傳統電暈放電電場分布不均,容易產生局部高溫熱點或弧光放電 (Arc),進而導致電極損傷、壽命縮短,甚至發生擊穿等風險,電暈放電系統對環境溫度、濕度與氣體流速較為敏感,導致臭氧濃度與產率易波動,難以穩定控制,尤其在半導體連續製程中是一大挑戰。
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2025年09月號
(單篇費用:參考材化所定價)