近期，美國技術(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。

　　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層兩級重疊結(jié)構(gòu)，276層為96層三級重疊結(jié)構(gòu),，368層為96層四級,，512層為128層四級重疊結(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,。

　　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?、機(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,，從而影響良率和營收。

　　寡頭壟斷

　　盡管清洗設(shè)備在半導(dǎo)體設(shè)備市場中占比相對光刻機(jī)等核心設(shè)備較低（約6%-7%）,，但清洗設(shè)備對廠商的良率和經(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)定增長的市場空間。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì),，2018年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場規(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)備市場將呈逐年增長態(tài)勢,，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,，日本迪恩士公司占據(jù)40%以上的市場份額,，此外，TEL（日本東京電子）,、Lam 和韓國SEMES也占據(jù)了較高的市場份額,。總體來看,，該市場集中度較高,。

　　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)域均取得最高市場占有率,，依靠技術(shù)創(chuàng)新成為了該市場的龍頭。其中,，自動(dòng)清洗臺(tái)技術(shù)門檻相對低,，相對晶圓清洗設(shè)備市場參與者更多，但市場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),。

　　中國市場潛力廣大

　　雖然中國半導(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，且還在不斷增長中,。據(jù)測算,，2020年，我國晶圓廠對清洗設(shè)備的需求達(dá)到了高點(diǎn),，約為105億元,。而2018至2022年的市場空間將達(dá)到424億元。其中,，單片晶圓清洗設(shè)備也將是國內(nèi)市場的主流,，未來幾年的市場空間為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)中國國際招標(biāo)網(wǎng)統(tǒng)計(jì),，在集成電路制造廠商長江存儲(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%,，盛美在國產(chǎn)清洗設(shè)備供應(yīng)商中排名第一,，其國內(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,，依然被那幾家傳統(tǒng)巨頭占據(jù)著，中國相關(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，才能在未來競爭中爭奪更多話語權(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)和市場應(yīng)用發(fā)展趨勢,，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,，對于全球的半導(dǎo)體清洗設(shè)備廠商而言,，要想在未來競爭中享有優(yōu)勢，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),；三是中國市場,，因?yàn)檫@里將是未來全球半導(dǎo)體業(yè)的主戰(zhàn)場,。