濕蝕刻（Wet Etching）與旋轉塗佈（Spin Coating)-CFD 流場分析

旋轉塗佈（Spin Coating）是半導體製程中常見的工藝，可用於在晶圓上添加薄膜材料，或進行晶圓清洗。

此處所示為一個應用Simcenter Star-CCM+ 多相流模擬功能的範例，能夠在液體滴加至旋轉晶圓的過程中，追蹤液膜的厚度變化。透過這樣的模擬，可調整滴液速率、噴嘴位置、噴嘴移動路徑，甚至晶圓的旋轉速度，以縮短完整覆蓋晶圓所需的時間，並提升液膜的均勻性。

另一項在半導體製程中常見且反覆進行的製程是蝕刻（Etching）。蝕刻有時使用氣體、有時使用液體進行，通常都涉及化學反應。這個範例展示的是一種由電化學反應驅動的濕式蝕刻（Wet Etching）過程，用於侵蝕極薄的材料層。蝕刻速度是提升整體製程效率的關鍵。而這個模擬也包含了通道深度的變化，這對於實現真實且準確的模擬結果至關重要。

當今半導體製程日益追求高良率、高精度與微縮化，在這樣的產業背景下，「濕蝕刻（Wet Etching）」與「旋轉塗佈（Spin Coating）」這兩道關鍵製程，對製程均勻性、微細結構品質與生產穩定性影響極大。這些製程表面上看起來只是流體的分佈與物質傳輸，但實際上背後牽涉到複雜的流場行為、表面反應、界面動態與多物理交互作用。這正是為什麼在這些製程中，必須使用CFD（計算流體力學）工具來進行模擬分析的主要原因。

以下將從製程挑戰（未使用CFD的痛點）、CFD可解決的關鍵問題、導入CFD後的效益與價值三個角度來詳細說明。

一、企業未採用CFD軟體模擬的痛點

靠經驗調製程參數，調試成本極高

在傳統作法中，工程師往往透過實驗試錯法（trial-and-error）來調整製程參數。例如調整蝕刻液流速、旋轉轉速、時間長短等，希望能獲得較均勻的蝕刻或塗佈結果。這種方式不僅耗時，還需耗費大量晶圓材料與蝕刻液，製程成本居高不下。

難以觀測微觀流體行為

濕蝕刻與旋轉塗佈發生於微米等級甚至更小的尺度，在實際製程中，我們幾乎不可能觀察到液體如何流動、如何均勻分布在晶圓表面，或溶劑如何揮發、化學反應如何分布，這使得問題根源難以掌握。

無法精準預測缺陷發生原因

例如：

為什麼旋轉塗佈會在晶圓邊緣形成“edge bead”？
為什麼某些區域蝕刻深度不夠、甚至殘留物質？這些製程缺陷往往會拖累整片晶圓的良率，沒有數值分析，很難釐清與參數之間的關聯。

無法有效進行製程最佳化

即使工程師透過大量試驗找到了“看似不錯”的參數組合，但缺乏模擬分析，就難以保證這組參數在不同晶圓尺寸、環境溫濕度、機台條件下依然穩定。導致製程轉移性差、重複性低。

二、CFD 模擬能解決的問題

對於 Wet Etching 而言，CFD 可模擬：

蝕刻液的流動路徑與速度場 → 預測蝕刻均勻性
化學反應速率與反應物濃度分布 → 找出反應瓶頸或區域性 undercutting 問題
多組分傳輸現象 → 分析主反應物、副產物、污染物質如何擴散與堆積
氣泡形成與困滯區（dead zones）的位置 → 有助改善流場設計與晶圓支撐結構

對於 Spin Coating 而言，CFD 可模擬：

旋轉時液膜的擴展動態與厚度分布 → 檢查是否形成不均厚區
邊緣堆積效應（Edge Bead） → 可用來設計邊緣清洗程序或改良塗佈液性質
溶劑揮發速率與其影響 → 模擬乾燥過程中膜厚如何隨時間變化
基板加速度或轉速變化的影響 → 幫助設計最佳加速曲線與旋轉策略

三、導入CFD分析的效益與價值

1. 製程設計週期大幅縮短

藉由模擬虛擬試驗環境，可以快速測試多組不同參數組合，在幾天內完成原本可能要耗費數週甚至數月的實驗任務，尤其在新製程導入（NPI）階段，更能加速開發時程。

2. 缺陷預測與避免

模擬能準確指出塗佈不均或蝕刻過度的區域，在實際製造之前就能修正設計與參數，避免良率損失。例如在 spin coating 階段預測哪裡會形成厚膜或乾膜，事先修改旋轉策略與液體物性。

3. 降低實驗耗材成本

每次晶圓蝕刻與塗佈都需要消耗昂貴的化學品與晶圓材料，透過模擬可大幅減少不必要的試作與報廢。

4. 優化機台結構與流道設計

CFD 可應用在製程機台本體設計上，例如：

改良蝕刻槽的流道
設計旋轉塗佈液的滴液結構
加裝流場導引板或氣體出口以避免污染回流這些機構上的微調都可經由模擬快速驗證其效果。

5. 提升跨部門溝通效率

CFD 模擬結果可視覺化呈現，便於製程工程師與機構設計師、生產人員之間討論，提升溝通效率與決策速度。

6. 建立數位雙胞胎（Digital Twin）

總結而言，「濕蝕刻」與「旋轉塗佈」雖然是半導體製程中的基本步驟，但其內部物理與化學行為極為複雜，且與製程品質密切相關。若僅依靠經驗與試誤法，將面臨開發效率低、良率難以穩定、成本居高不下等諸多挑戰。

四、透過 STAR-CCM+，解決半導體製程瓶頸

我們採用 Siemens 的 Simcenter Star-CCM+作為核心 CFD 模擬平台，結合高精度流體模擬、化學反應耦合與自由表面追蹤等功能，為濕蝕刻與旋轉塗佈製程提供完整的數值模擬解決方案。

濕蝕刻（Wet Etching）模擬應用：

模擬蝕刻液流場、反應物濃度與反應速率分布
分析局部 undercutting、dead zone、氣泡滯留等現象
幫助設計更有效率的流道、蝕刻槽結構與流速分配

旋轉塗佈（Spin Coating）模擬應用：

模擬液體薄膜在旋轉過程中如何展開與乾燥
分析膜厚分佈與邊緣堆積（Edge Bead）現象
模擬溶劑揮發行為，預測乾點與薄膜均勻性

使用 Simcenter Star-CCM+ 的技術優勢

多物理耦合分析能力
STAR-CCM+ 可同時處理流體力學、質量傳輸、表面反應與旋轉動態等多重物理場，是目前市場上最完整的 CFD 平台之一。

參數掃描與製程最佳化
內建 Design Manager 可輕鬆進行參數掃描與設計實驗（DOE），大幅提升開發效率，減少實驗次數與製程浪費。

高解析自由表面模擬（VOF & Thin Film）
可準確追蹤液膜邊界行為與表面張力效應，真實模擬塗佈與乾燥過程。

可視化製程結果，精準預測風險
透過流場可視化、厚度輪廓分析與反應區域標記，協助工程團隊快速找出問題根源，提升決策效率。

結語：從試誤到數位驅動，打造高效率製程開發流程

透過 STAR-CCM+ 所提供的 CFD 模擬能力，我們能將濕蝕刻與旋轉塗佈的製程行為全面數位化、可視化、可預測，大幅縮短研發週期、降低實驗成本，並提升製程穩定性與良率。

兆水科技模擬顧問團隊也能協助您量身打造製程模型，無論是單一機台優化、製程轉移評估，或數位雙胞胎建構，皆可提供完整支援。

歡迎與我們聯絡，一起將半導體製程推向更高精度與效率的新境界！

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Showerhead (噴灑頭式反應器) with Deposition

化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）是常用來在晶圓上沉積薄膜材料的製程。其中一個關鍵元件是具有數千個孔洞的噴氣（showerhead），用於將氣體均勻地分佈至晶圓表面。為了獲得均勻的沉積層，必須控制氣體流動的分佈與晶圓的溫度。透過最佳化 showerhead 上孔洞的數量與位置，以及控制加熱平台（chuck）對晶圓的溫度傳遞，即可實現高均勻性的沉積結果。

Chemical Vapor Deposition 化學氣相沉積 Star-CCM+ 案例

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