近期,，美國(guó)技術(shù)咨詢公司Linx Consulting主辦的Surface Preparation and Cleaning Conference（SPCC）會(huì)議上,，半導(dǎo)體技術(shù)趨勢(shì)研究公司 IC Knowledge 就先進(jìn)制程DRAM、NAND和邏輯芯片的未來發(fā)展發(fā)表了演講,，重點(diǎn)分析了這三種器件制造過程中清洗工藝流程的過去和未來趨勢(shì),。

　　DRAM方面，其制程已經(jīng)進(jìn)化到1x-nm（約為19nm/18nm）,、1y-nm（約為17nm/16nm）,、1z-nm（約為15nm）。這對(duì)清洗工藝提出了更高的要求,，工序數(shù)明顯增加,，已經(jīng)超過200道，而當(dāng)制程發(fā)展到1+-nm（14nm）以后,，將使用浸沒ArF光刻的多patterning,，而原來采用EUV光刻的單patterning清洗步驟減少，達(dá)到1μ-nm及更高版本以后,，必須采用EUV光刻的雙patterning,，清洗步驟將顯著增加。在DRAM清洗流程中,，晶圓背面和斜面清洗的步驟數(shù)最多,，電阻剝離后清洗，CMP后清洗僅次于此,。

　　3D NAND 閃存方面,，以三星的V-NAND工藝為例，至少128層,，清洗步驟增加很多,，而隨著層數(shù)增加，清洗步驟不斷增加,，如160層為80層兩級(jí)重疊結(jié)構(gòu),，276層為96層三級(jí)重疊結(jié)構(gòu)，368層為96層四級(jí),，512層為128層四級(jí)重疊結(jié)構(gòu),，清洗超過250步，主要集中在背面,、斜面和CMP后清洗,，這些呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),。

　　邏輯芯片方面，以臺(tái)積電的先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)為例,，但隨著節(jié)點(diǎn)變小,，清洗次數(shù)逐步增加，5nm全面引入EUV光刻,，ArF多patterning在關(guān)鍵層被更改為EUV單patterning,，清洗步驟減少。然而,，到了1.5nm及更高級(jí)制程，由于EUV被迫采用雙patterning,，清洗過程復(fù)雜起來,。在邏輯芯片制造的清洗中，背面和斜面清洗最多,，此外,，多層布線結(jié)構(gòu)的BEOL清洗次數(shù)明顯多于存儲(chǔ)芯片的。

　　清洗設(shè)備重要性愈加凸出

　　清洗工序用于去除芯片制造中各工藝步驟可能存在的雜質(zhì),，避免雜質(zhì)影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能,。目前，隨著芯片制造工藝先進(jìn)程度的持續(xù)提升,，對(duì)晶圓表面污染物的控制要求不斷提高,，每一步光刻、刻蝕,、沉積等重復(fù)性工序后,，都需要一步清洗工序。清洗不僅應(yīng)用于芯片制造,，其在硅片制造和封裝測(cè)試過程中也必不可少,。

　　可以說，在芯片制造的全部工序流程中,，清洗是所有工藝中出現(xiàn)次數(shù)最多的,，且未來還將進(jìn)一步增加，因?yàn)檫@是保障芯片良率的關(guān)鍵所在,。

　　按照原理劃分,，清洗工藝可分為干法清洗和濕法清洗。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,，一般將濕法和干法兩種結(jié)合使用,，目前，90%以上的清洗步驟以濕法工藝為主,。干法清洗是指不依賴化學(xué)試劑的清洗技術(shù),，包括等離子體清洗,、氣相清洗、束流清洗等,。以等離子體清洗為例,，是通過向等離子體反應(yīng)系統(tǒng)中通入少量氧氣，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下生成等離子體,，可使光刻膠迅速氧化生成可揮發(fā)性氣體被抽走,，具有高效、操作方便等優(yōu)點(diǎn),，適合應(yīng)用于去膠后清洗中,。

　　濕法清洗包括純?nèi)芤航荨C(jī)械擦拭,、超聲/兆聲清洗,、旋轉(zhuǎn)噴淋法等。濕法工藝是指采用腐蝕性和氧化性的化學(xué)溶劑進(jìn)行噴霧,、擦洗,、蝕刻和溶解隨機(jī)缺陷，使硅片表面的雜質(zhì)與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，生成可溶性物質(zhì),、氣體或直接脫落，并利用超純水清洗硅片表面并進(jìn)行干燥,，以獲得滿足潔凈度要求的硅片,。為了提高硅片清潔效果，可以采用超聲波,、加熱,、真空等輔助技術(shù)手段。

　　濕法清洗工藝設(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)備是主流,。

　　在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)40年的發(fā)展歷程中，根據(jù)摩爾定律,，芯片制造商通過縮小制程節(jié)點(diǎn),、增加晶圓尺寸來降低成本。然而,，300mm向450mm晶圓的過渡一直是設(shè)備制造商的痛點(diǎn),。此外，半導(dǎo)體行業(yè)正在向3D NAND大規(guī)模生產(chǎn)過渡，在這個(gè)過程中,，線性收縮的物理限制已接近極限,。

　　隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，清洗工藝的重要性和高精度需求愈加凸出,。

　　一方面,，現(xiàn)代微電子技術(shù)工業(yè)對(duì)工藝過程中硅片的清潔度要求越來越高，需要非常專業(yè)的清洗設(shè)備才能滿足參數(shù)要求,。在制程節(jié)點(diǎn)為35nm時(shí),，需要保證硅片表面顆粒及COP密度小于0.1個(gè)/平方厘米，表面臨界金屬元素的密度小于109個(gè)原子/平方厘米,。而現(xiàn)在的7nm則對(duì)硅片提出了更高的清潔參數(shù)要求,。

　　另外，經(jīng)濟(jì)效益也要求半導(dǎo)體公司在清潔工藝上不斷突破,，提高對(duì)于清潔設(shè)備的參數(shù)要求,。隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，對(duì)于那些尋求先進(jìn)制程芯片的制造商來說,，有效的無損清潔將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，尤其是7nm,、5nm,。芯片制造商不僅能從平坦的晶圓表面除去更小的隨機(jī)缺陷，還要適應(yīng)更復(fù)雜3D芯片架構(gòu),，以免造成損害或材料損失,，從而影響良率和營(yíng)收。

　　寡頭壟斷

　　盡管清洗設(shè)備在半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)中占比相對(duì)光刻機(jī)等核心設(shè)備較低（約6%-7%）,，但清洗設(shè)備對(duì)廠商的良率和經(jīng)濟(jì)效益有著至關(guān)重要的影響,。因此，作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中不可替代的一環(huán),，清洗設(shè)備有著穩(wěn)定增長(zhǎng)的市場(chǎng)空間,。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，2018年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為34.17億美元,，2019和2020年受全球半導(dǎo)體行業(yè)景氣度下行的影響,，有所下降，分別為30.49億美元和25.39億美元,。預(yù)計(jì)2021年隨著全球半導(dǎo)體業(yè)復(fù)蘇,，全球清洗設(shè)備市場(chǎng)將呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，到2024年,，預(yù)計(jì)將達(dá)到31.93億美元規(guī)模,。

　　在全球清洗設(shè)備市場(chǎng)，日本迪恩士公司占據(jù)40%以上的市場(chǎng)份額，此外,，TEL（日本東京電子）,、Lam 和韓國(guó)SEMES也占據(jù)了較高的市場(chǎng)份額?？傮w來看,，該市場(chǎng)集中度較高。

　　迪恩士專注于半導(dǎo)體制造設(shè)備,，尤其是清洗設(shè)備的研發(fā)和推廣,，開發(fā)出了適應(yīng)于多種環(huán)境的各類清洗設(shè)備，并在三個(gè)主要半導(dǎo)體清洗領(lǐng)域均取得最高市場(chǎng)占有率,，依靠技術(shù)創(chuàng)新成為了該市場(chǎng)的龍頭,。其中，自動(dòng)清洗臺(tái)技術(shù)門檻相對(duì)低,，相對(duì)晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)參與者更多,，但市場(chǎng)份額由迪恩士和東京電子牢牢把持著；洗刷機(jī)設(shè)備市場(chǎng)也由迪恩士和東京電子兩家公司主導(dǎo),，迪恩士占據(jù)60%-70%的份額,。

　　中國(guó)清洗設(shè)備廠商市占率較小，主要包括盛美半導(dǎo)體,、北方華創(chuàng),、芯源微、至純科技,。其中,，盛美半導(dǎo)體主要產(chǎn)品為集成電路領(lǐng)域的單片清洗設(shè)備，通過自主研發(fā)和改進(jìn)超聲和兆聲清洗技術(shù),， 走出了自主創(chuàng)新清洗設(shè)備之路,；北方華創(chuàng)收購美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商Akrion Systems LLC后，主要產(chǎn)品為單片及槽式清洗設(shè)備,；芯源微產(chǎn)品主要應(yīng)用于集成電路制造領(lǐng)域的單片式刷洗領(lǐng)域,；至純科技具備生產(chǎn) 8-12 英寸高階單晶圓濕法清洗設(shè)備和槽式濕法清洗設(shè)備的相關(guān)技術(shù)。

　　中國(guó)市場(chǎng)潛力廣大

　　雖然中國(guó)半導(dǎo)體清洗設(shè)備供給端市占率較小,，但消費(fèi)端的規(guī)模卻很大,，且還在不斷增長(zhǎng)中。據(jù)測(cè)算,，2020年,，我國(guó)晶圓廠對(duì)清洗設(shè)備的需求達(dá)到了高點(diǎn)，約為105億元,。而2018至2022年的市場(chǎng)空間將達(dá)到424億元,。其中,，單片晶圓清洗設(shè)備也將是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主流，未來幾年的市場(chǎng)空間為278.7億元,。而這一數(shù)字還是較為保守的,，依據(jù)目前的全球性芯片荒狀況，以及中國(guó)晶圓廠的擴(kuò)展步伐來看,，實(shí)際需求將只多不少,。

　　據(jù)中國(guó)國(guó)際招標(biāo)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，在集成電路制造廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ),、華虹無錫,、上海華力二期項(xiàng)目累計(jì)采購的200多臺(tái)清洗設(shè)備中，按中標(biāo)數(shù)量對(duì)供應(yīng)廠商排序,，依次是迪恩士,、盛美、Lam,、TEL和北方華創(chuàng),，所占份額依次為48%、20.5%,、20%,、6%和1%，盛美在國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備供應(yīng)商中排名第一,，其國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體清洗設(shè)備行業(yè)龍頭地位凸顯,。

　　北方華創(chuàng)在整合了美國(guó)的清洗設(shè)備廠商Akrion的技術(shù)后，產(chǎn)品覆蓋范圍更廣了,，包括單晶圓清洗設(shè)備和自動(dòng)清洗站，應(yīng)用于成膜前后,、拋光,、刻蝕等多個(gè)環(huán)節(jié)的清洗工藝中。

　　結(jié)語

　　總體來看,，目前的全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng),，依然被那幾家傳統(tǒng)巨頭占據(jù)著，中國(guó)相關(guān)廠商要想在市占率方面突破,，還需要不斷鉆研,，打磨技術(shù)和產(chǎn)品，才能在未來競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)奪更多話語權(quán),。此外,，如果想在先進(jìn)制程工藝方面有所發(fā)展的話，就必須深入了解相應(yīng)的技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì),，就像前文提到的采用最先進(jìn)制程存儲(chǔ)器和邏輯芯片所需要的清洗技術(shù)和設(shè)備,。

　　綜上，對(duì)于全球的半導(dǎo)體清洗設(shè)備廠商而言，要想在未來競(jìng)爭(zhēng)中享有優(yōu)勢(shì),，就必須緊盯以下幾點(diǎn)：一是晶圓代工廠和邏輯芯片廠商不斷布局更小制程節(jié)點(diǎn)時(shí)所需的產(chǎn)線擴(kuò)張,，需要大量高精度單片晶圓清洗設(shè)備；二是對(duì)于3D結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)芯片而言,，重點(diǎn)是高產(chǎn)能單片晶圓清洗設(shè)備和高精度自動(dòng)清洗臺(tái),；三是中國(guó)市場(chǎng)，因?yàn)檫@里將是未來全球半導(dǎo)體業(yè)的主戰(zhàn)場(chǎng),。