一、半導(dǎo)體清洗技術(shù)中濕法清洗占主導(dǎo)，單片清洗設(shè)備為主流濕法設(shè)備
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國半導(dǎo)體清洗設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與發(fā)展前景研究報告（2024-2031年）》顯示，半導(dǎo)體制造過程中不可避免會產(chǎn)生一些顆粒、有機物、自然氧化層、金屬雜質(zhì)等污染物，為避免污染物影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能，半導(dǎo)體清洗工序必不可少。
半導(dǎo)體制造過程中污染物對后續(xù)工藝影響
| 污染物 | 來源 | 主要危害 |
| 顆粒 | 環(huán)境，其他工藝工程中產(chǎn)生 | 影響后續(xù)光刻，干法刻蝕工藝，造成器件短路 |
| 自然氧化層 | 環(huán)境 | 影響后續(xù)氧化，沉積工藝，造成器件電性失效 |
| 金屬污染 | 環(huán)境，其他工藝工程中產(chǎn)生 | 影響后續(xù)氧化工藝，造成器件電性失效 |
| 有機物 | 干法刻蝕副產(chǎn)物，環(huán)境 | 影響后續(xù)沉積工藝，造成器件電性失效 |
| 犧牲層 | 氧化/沉積工藝 | 影響后續(xù)特定工藝，造成器件電性失效 |
| 拋光殘留物 | 研磨液 | 影響后續(xù)特定工藝，造成器件電性失效 |
資料來源：觀研天下整理
根據(jù)清洗介質(zhì)的不同，半導(dǎo)體清洗技術(shù)可以分為濕法清洗（包括溶液浸泡法、機械刷洗法、二流體清洗、超聲波清洗、兆聲波清洗、批式旋轉(zhuǎn)噴淋法）和干法清洗（括等離子清洗、氣相清洗和束流清洗）兩種。
濕法清洗是根據(jù)不同的工藝需求，主要是通過去離子水、清洗劑等對晶圓表面進(jìn)行無損傷清洗，以去除晶圓制造過程中的雜質(zhì)。干法清洗是指不使用化學(xué)溶劑，采用氣態(tài)的氫氟酸刻蝕不規(guī)則分布的有結(jié)構(gòu)的晶圓二氧化硅層，雖然具有對不同薄膜有高選擇比的優(yōu)點，但可清洗污染物比較單一，主要在28nm及以下技術(shù)節(jié)點的邏輯產(chǎn)品和存儲產(chǎn)品有應(yīng)用。目前半導(dǎo)體清洗以濕法清洗為主，占總清洗步驟的90%以上。
半導(dǎo)體清洗技術(shù)分類
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類別 |
清洗方法 |
清洗介質(zhì) |
工藝簡介 |
應(yīng)用特點 |
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濕法清洗 |
溶液浸泡法 |
批式旋轉(zhuǎn)噴淋法 |
主要用于槽式清洗設(shè)備，將待清洗晶圓放入溶液中浸泡，通過溶液與晶圓表面及雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到去除污染物的目的。 |
應(yīng)用廣泛，針對不同的雜質(zhì)可選用不同的化學(xué)藥液；產(chǎn)能高，同時可進(jìn)行多片晶圓浸泡工藝；成本低，分?jǐn)傇诿科A上的化學(xué)品消耗少；容易造成晶圓之間的交叉污染 |
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機械刷洗法 |
去離子水 |
主要配置包括專用刷洗器，配合去離子水利用刷頭與晶圓表面的摩擦力以達(dá)到去除顆粒的清洗方法。 |
成本低，工藝簡單，對微米級的大顆粒去除效果好；清洗介質(zhì)一般為水，應(yīng)用受到局限；易對晶圓造成損傷。一般用于機械拋光后大顆粒的去除和背面顆粒的去除。 |
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二流體清洗 |
SC-1 溶液,去離子水等 |
一種精細(xì)化的水氣二流體霧化噴嘴，在噴嘴的兩端分別通入液體介質(zhì)和高純氮氣，使用高純氮氣為動力，輔助液體微霧化成極微細(xì)的液體粒子被噴射至晶圓表面，從而達(dá)到去除顆粒的效果。 |
效率高，廣泛用于輔助顆粒去除的清洗步驟中；對精細(xì)晶圓圖形結(jié)構(gòu)有損傷的風(fēng)險，且對小尺寸顆粒去除能力不足。 |
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超聲波清洗 |
化學(xué)溶劑加超聲輔助 |
在 20-40kHz 超聲波下清洗，內(nèi)部產(chǎn)生空腔泡，泡消失時將表面雜質(zhì)解吸。 |
能清除晶圓表面附著的大塊污染和顆粒；易造成晶圓圖形結(jié)構(gòu)損傷。 |
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兆聲波清洗 |
化學(xué)溶劑加兆聲波輔助 |
與超聲波清洗類似，但用 1-3MHz 工藝頻率的兆聲波。 |
對小顆粒去除效果優(yōu)越，在高深寬比結(jié)構(gòu)清洗中優(yōu)勢明顯，精確控制空穴氣泡后，兆聲波也可應(yīng)用于精細(xì)晶圓圖形結(jié)構(gòu)的清洗；造價較高。 |
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批式旋轉(zhuǎn)噴淋法 |
高壓噴淋去離子水或清洗液 |
清洗腔室配置轉(zhuǎn)盤，可一次裝載至少兩個晶圓盒，在旋轉(zhuǎn)過程中通過液體噴柱不斷向圓片表面噴淋液體去除圓片表面雜質(zhì)。 |
與傳統(tǒng)的槽式清洗相比，化學(xué)藥液的使用量更低；機臺占地面積??；化學(xué)藥液之間存在交叉污染風(fēng)險，若單一晶圓產(chǎn)生碎片，整個清洗腔室內(nèi)所有晶圓均有報廢風(fēng)險。 |
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干法清洗 |
等離子清洗 |
氧氣等離子體 |
在強電場作用下，使氧氣產(chǎn)生等離子體，迅速使光刻膠氣化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)物質(zhì)并被抽走。 |
工藝簡單、操作方便、壞境友好、表面干凈無劃傷；較難控制、造價較高。 |
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氣相清洗 |
化學(xué)試劑的氣相等效物 |
利用液體工藝中對應(yīng)物質(zhì)的汽相等效物與圓片表面的沾污物質(zhì)相互作用。 |
化學(xué)品消耗少，清洗效率高；但不能有效去除金屬污染物；較難控制、造價較高。 |
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束流清洗 |
高能束流狀物質(zhì) |
利用液體工藝中對應(yīng)物質(zhì)的汽相等效物與圓片表面的沾污物質(zhì)相互作用。 |
技術(shù)較新，清洗液消耗少、避免二次污染；較難控制、造價較高。 |
資料來源：觀研天下整理
數(shù)據(jù)來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
主流的濕法清洗設(shè)備主要包括單片清洗設(shè)備、槽式清洗設(shè)備、組合式清洗設(shè)備和批式旋轉(zhuǎn)噴淋清洗設(shè)備等，其中單片清洗設(shè)備具備極高的工藝控制和微粒去除能力，可有效的解決晶圓間交叉污染，其應(yīng)用廣泛，是晶圓制造環(huán)節(jié)中市場份額最高的清洗設(shè)備。根據(jù)數(shù)據(jù)，2019年，全球單片清洗設(shè)備占比高達(dá)75%，遠(yuǎn)高于槽式清洗設(shè)備的18.09%、組合式清洗設(shè)備的6.82%、批發(fā)螺旋噴淋清洗設(shè)備的0.43%。
濕法清洗設(shè)備分類
| 設(shè)備種類 | 清洗方式 | 應(yīng)用特點 |
| 單片清洗設(shè)備 | 旋轉(zhuǎn)噴淋，兆聲波清洗，二流體清洗，機械刷洗等 | 具有極高的工藝環(huán)境控制能力與微粒去除能力，有效解決晶圓之間交叉污染的問題；每個清洗腔體內(nèi)每次只能清洗單片晶圓，設(shè)備產(chǎn)能較低 |
| 槽式清洗設(shè)備 | 溶液浸泡，兆聲波清洗等 | 清洗產(chǎn)能高，適合大批量生產(chǎn)；但顆粒，濕法刻蝕速度控制差；交叉污染風(fēng)險大 |
| 組合式清洗設(shè)備 | 溶液浸泡+旋轉(zhuǎn)噴淋組合清洗 | 產(chǎn)能較高，清洗精度較高，并可大幅降低濃硫酸使用量；產(chǎn)品造價較高 |
| 批式旋轉(zhuǎn)噴淋清洗設(shè)備 | 旋轉(zhuǎn)噴淋 | 相對傳統(tǒng)槽式清洗設(shè)備，批式旋轉(zhuǎn)設(shè)備可實現(xiàn) 120oC 以上甚至達(dá)到 200oC 高溫硫酸工藝要求；各項工藝參數(shù)控制困難，晶圓碎片后整個清洗腔室內(nèi)所有晶圓均有報廢風(fēng)險 |
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二、半導(dǎo)體清洗設(shè)備增長空間廣闊，2027年市場規(guī)模將達(dá)65億美元
隨著半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)的不斷提升，芯片尺寸不斷縮小，對雜質(zhì)敏感度提升，清洗步驟也在不斷增加，90nm的芯片清洗工藝約90道，20nm的清洗工藝則達(dá)到了215道，目前清洗步驟占整個半導(dǎo)體工藝所有步驟約1/3，幾乎所有制作過程前后都需要清洗，為清洗設(shè)備帶來了廣闊的增長空間。
2023年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備規(guī)模達(dá)到50億美元，同比下降2.01%；隨著半導(dǎo)體下游需求回暖，晶圓廠保持高額資本開支，預(yù)測2027年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場規(guī)模達(dá)65億美元，對應(yīng)2023-2027年CAGR為6.73%。
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三、海外廠商憑借產(chǎn)品優(yōu)勢，壟斷全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場
全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場集中度高。海外廠商憑借可選配腔體數(shù)、每小時晶圓產(chǎn)能、制程節(jié)點上領(lǐng)先優(yōu)勢，壟斷全球清洗設(shè)備市場。根據(jù)數(shù)據(jù)，2023年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備CR4達(dá)86%，其中日本DNS、TEL，以及美國Lam、韓國SEMES公司分別占比37%、22%、17%、10%。中國廠商起步相對較晚，市占率較低，僅盛美上海占全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市占率7%，排名第五，清洗設(shè)備國產(chǎn)替代空間仍然廣闊。
全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備代表廠商產(chǎn)品對比
| 公司 | DNS | TEL | 盛美上海 | 北方華創(chuàng) | 華海清科 | 至純科技 | 芯源微 |
| 機型 | SU-3400 | CELLESTA?-iMD | UltraC VI | SC3080 | HSC-F3400 | S300-HS | KS-CM300/200 |
| 晶圓尺寸 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | - |
| 技術(shù)特點 | 通過納米噴射方式將高密度液滴通過氮氣噴射至晶圓表面，達(dá)到顆粒去除目的 | 通過 IPA 分配器的腔室氣氛控制和性能改進(jìn)，實現(xiàn)了無塌陷干燥技術(shù) | 清洗方式可選配SAPS 兆聲波、TEBO 兆聲波、二流體清洗 | 能夠進(jìn)行全自動dry in dry out 清洗工藝 | 采用卓越的顆粒與金屬污染控制系統(tǒng)，搭載高性能卡盤夾持技術(shù) | 高溫硫酸回收、高濃度化學(xué)品穩(wěn)定應(yīng)用、高穩(wěn)定化學(xué)品混配系統(tǒng) | 通過氣體流場仿真優(yōu)化，確保機臺內(nèi)部微環(huán)境均勻穩(wěn)定，同時搭載了獨立研發(fā)的新一代高清洗效率低損傷射流噴嘴 |
| 制程節(jié)點 | 7nm | 10nm及以上 | 28nm（14nm未量產(chǎn)） | - | - | 28nm（14nm 未量產(chǎn)） | 26nm |
| 腔體數(shù) | 24 | - | 18 | 4腔或8腔可選 | - | - | 16 |
| 每小時晶圓產(chǎn)能(WPH) | 1200 | 600 | 800 | - | - | - | 600 |
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