中國(guó)是半導(dǎo)體最大的消費(fèi)國(guó)，占全球芯片需求的45%，有90%以上的芯片需要進(jìn)口，國(guó)內(nèi)高速發(fā)展的智能手機(jī)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)各個(gè)領(lǐng)域都對(duì)芯片有根本性的依賴。目前芯片是中國(guó)舉國(guó)之力發(fā)展的行業(yè)，但最核心是要有獨(dú)立自主生產(chǎn)能力的“中國(guó)芯“，就要取決于半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化工藝。
晶圓上的45納米芯片圖像
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工藝技術(shù)的要求越來越高，特別是對(duì)晶圓片的表面質(zhì)量要求越來越嚴(yán)。晶圓制造環(huán)節(jié)的清洗步驟最多，清洗設(shè)備運(yùn)用也最多，光刻、刻蝕、沉積、 離子注入、CMP均需要經(jīng)歷清洗工藝。
前道晶圓生產(chǎn)過程的七大工序：
氧化/擴(kuò)散-光刻-刻蝕-離子注入-薄膜沉積-CMP-金屬化
晶圓片清洗質(zhì)量的好壞對(duì)器件性能有嚴(yán)重的影響，其主要原因是圓片表面沾污造成的，這些沾污包括：超細(xì)微的顆粒、有機(jī)殘留物、無機(jī)殘留物和需要去除的氧化層；顆粒和金屬雜質(zhì)沾污會(huì)嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量和成品率。在目前的集成電路生產(chǎn)中,由于晶圓片表面沾污問題，導(dǎo)致50% 以上的材料被損耗掉和80%的芯片電學(xué)失效。
正是由于晶圓清洗是半導(dǎo)體制造工藝中最重要、最頻繁的工序，而且隨著尺寸縮小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，芯片對(duì)雜質(zhì)含量的敏感度也相應(yīng)提高，將直接影響到器件的成品率、性能和可靠性，所以國(guó)內(nèi)外各大公司、研究機(jī)構(gòu)等對(duì)清洗工藝的研究一直在不斷地增強(qiáng)。據(jù)盛美公司估計(jì)，每月十萬片的DRAM工廠，1%的良率提升可為客戶每年提高利潤(rùn)3000-5000 萬美元。晶圓清洗步驟數(shù)量約占所有芯片制造工序步驟30%以上，而且隨著節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，清洗工序的數(shù)量和重要性會(huì)繼續(xù)提升，清洗設(shè)備的需求量也將相應(yīng)增加。
半導(dǎo)體晶圓清洗工藝細(xì)分為RCA清洗法、稀釋化學(xué)法、IMEC清洗法、超聲波清洗法、氣相清洗法、等離子清洗法等，可歸納為濕法和干法兩種，濕法清洗是目前主流技術(shù)路線，占芯片制造清洗步驟數(shù)量的90%以上。
濕法清洗采用特定的化學(xué)藥液和去離子水，對(duì)晶圓表面進(jìn)行無損傷清洗——氧化、蝕刻和溶解晶片表面污染物、有機(jī)物及金屬離子污染。濕法清洗主要包括RCA清洗法、超聲波清洗等，效率高、成本較低，但由于化學(xué)試劑使用多，會(huì)造成化學(xué)交叉污染、圖形損傷。
干法清洗是指不使用化學(xué)溶劑的清洗技術(shù)。包括氣相清洗法、等離子體清洗等，優(yōu)點(diǎn)有清洗環(huán)境友好、低磨損等，但受限于成本高、控制精度要求等，目前無法大量應(yīng)用于全部產(chǎn)線，在少量特定步驟會(huì)采用干法清洗。
除去晶圓清洗，等離子清洗也常用于光刻膠的去除工藝中,在等離子體反應(yīng)系統(tǒng)中通入少量的氧氣,在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,使氧氣產(chǎn)生等離子體,迅速使光刻膠氧化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)物質(zhì)被抽走。這種清洗技術(shù)在去膠工藝中具有操作方便、效率高、表面干凈、無劃傷、有利于確保產(chǎn)品的質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。
晶圓清洗技術(shù)隨著工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)而發(fā)生變化。在工藝節(jié)點(diǎn)不斷推進(jìn)的前提下，為了降低顆粒物污染、提高良率，需要繼續(xù)增加清洗步驟。在80~60nm的工藝制程中，清洗工藝約有100個(gè)步驟，而當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)來到20nm以下時(shí)，清洗步驟增加至200道以上。而越往下走，要得到較高的良率，幾乎每步工序都離不開清洗。在濕法清洗工藝路線下，目前主流的清洗設(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。
先進(jìn)制程中，單片清洗逐漸取代槽式批量清洗，并且占據(jù)最高的市場(chǎng)份額。單片清洗技術(shù)是盛美半導(dǎo)體突破兆聲波氣泡內(nèi)爆破壞理論，自主研制的顛覆性的TEBO無損傷單片清洗技術(shù)。單晶圓清洗可以減少材料損傷，孔洞的清洗能力，防止晶片結(jié)構(gòu)損傷，清除交叉污染 ，改善晶圓可靠性；槽式清洗具備良好的設(shè)備穩(wěn)定性、高處理性能和批量生產(chǎn)的高生產(chǎn)率，可以清除金屬、材料及微粒子的交叉污染 ，但是設(shè)備產(chǎn)能較低，污染風(fēng)險(xiǎn)較大。在90-65nm工藝中，為節(jié)約成本、提高效率，通常以槽式設(shè)備清洗為主； 而在更低線寬nm級(jí)工藝中，對(duì)雜質(zhì)的容忍度較低，工藝越先進(jìn)，單片清洗技術(shù)的占比往往越高。
ACM的薄晶圓清洗系統(tǒng)。采用TEBO(時(shí)序能激氣穴震蕩)兆聲波清洗技術(shù)。在進(jìn)行機(jī)械研磨/拋光以達(dá)到所需的厚度之后，ACM的處理系統(tǒng)將在隨后的關(guān)鍵工藝中支持這些超薄、高翹曲的晶圓，包括使用濕法蝕刻來減薄硅以消除微裂紋。此外，通過實(shí)施不同的化學(xué)組合，該工具可用于清潔，光刻膠去除，薄膜去除和金屬蝕刻。
縱觀全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)，主要由迪恩士、東京電子和拉姆研究等日美韓企業(yè)瓜分，合計(jì)占據(jù)約95%的市場(chǎng)份額，行業(yè)高度集中。國(guó)內(nèi)清洗設(shè)備龍頭盛美半導(dǎo)體市占率約2.3%，但未來有絕對(duì)潛力拓展發(fā)展空間。本土清洗設(shè)備市場(chǎng)國(guó)有化率約為20%，但是，今后幾年隨著國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)開始迎來井噴式爆發(fā)，國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備廠商將繼續(xù)昂頭挺進(jìn)。盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、芯源微、至純科技等是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體清洗的先行者，其中盛美半導(dǎo)體更是殺進(jìn)歐美國(guó)家壟斷的國(guó)際細(xì)分市場(chǎng)。
晶圓生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化情況
Gartner 預(yù)測(cè)，整體晶圓代工市場(chǎng)2019 年到 2023 年的復(fù)合年均成長(zhǎng)率為 4.5%，市場(chǎng)營(yíng)收可望于 2023 年達(dá)到 783 億美元。而2018年至2020年之間建設(shè)的新工廠和線路將需要 2200 億美元的晶圓廠設(shè)備。晶圓清洗作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中不可替代的一環(huán)，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的升級(jí)以及良率要求提高，清洗設(shè)備用量需求將持續(xù)增加，有著穩(wěn)定而增長(zhǎng)的市場(chǎng)空間，預(yù)計(jì)2020 年就將達(dá)到 35-40 億美元。
集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心構(gòu)成。據(jù)WSTS 統(tǒng)計(jì)，2019 年集成電路銷售額達(dá) 3,304 億美元，占全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額的 80.77%，是當(dāng)之無愧的半導(dǎo)體支柱型產(chǎn)品。
半導(dǎo)體中，手機(jī)芯片占據(jù)最大需求。在美國(guó)霸道制裁下，中芯國(guó)際撲向國(guó)產(chǎn)替代部件，華為、聯(lián)發(fā)科入局芯片設(shè)計(jì)與制造。北方華創(chuàng)、中微公司、盛美股份、華峰測(cè)控、上海微電子在芯片材料、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制備的各大核心環(huán)節(jié)上均實(shí)現(xiàn)從0到1的突破，逐個(gè)占山為王，合縱突破美帝圍剿。在外部壓力刺激下，半導(dǎo)體設(shè)備受到國(guó)內(nèi)政策、產(chǎn)業(yè)、資金全方位的支持，國(guó)產(chǎn)替代有序推進(jìn)。隨著全球晶圓產(chǎn)能向大陸轉(zhuǎn)移，大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)將繼續(xù)維持高位增長(zhǎng)，半導(dǎo)體清洗公司將大大受益。
而未來，新一代的碳基電子及其信息器件具有更優(yōu)異的性能，在包括數(shù)字電路、射頻/模擬電路、傳感器件、光電器件等所有半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域都具備革命性的應(yīng)用前景。中國(guó)有望主導(dǎo)芯片技術(shù)的‘直道’超車。
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