半导体清洗设备行业专题研究与发展策略.docx
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半导体清洗设备行业专题研究与发展策略
半导体清洗设备行业专题研究与投资策略
一、序言
半导体清洗，用于去除芯片生产中产生的各种沾污杂质，是芯片制造中步骤最多的工艺。
每一步光刻、刻蚀、沉积、离子注入、CMP（化学机械抛光）后均需要清洗。
长久以来，半导体清洗设备没有光刻机、刻蚀机、沉积设备的耀眼光芒，常常被人们所忽视，甚至有人认为，芯片生产中所用的清洗设备，并不具有很高的技术门槛。
事实真的如此吗？
半导体清洗设备是好的投资赛道吗？
国产替代进度又如何？
本文将从半导体清洗工艺、清洗设备技术难度、市场空间、竞争格局等角度，来探讨上述问题。
二、半导体清洗，芯片制造的重要环节
1.1污染源：
颗粒、金属、有机物等沾污，芯片良率下降的罪魁
芯片制造需要在无尘室中进行，如果在制造过程中，有沾污现象，将影响芯片上器件的正常功能。
沾污杂质是指半导体制造过程中引入的任何危害芯片成品率及电学性能的物质。
沾污杂质导致芯片电学失效，导致芯片报废。
据估计，80%的芯片电学失效都是由沾污带来的缺陷引起的。
通常，无尘室中的沾污杂质分为六类：
颗粒：
颗粒是能粘附在硅片表面的小物体，颗粒能引起电路开路或短路。
从尺寸上来说，半导体制造中，颗粒必须小于最小器件特征尺寸的一半，大于这个尺寸的颗粒会引起致命缺陷。
从数量上来说，硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数，颗粒数越多，产生致命缺陷的可能性也越大。
一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数，术语表征为每步每片上的颗粒数（PWP），随着先进制程的进步，PWP指标要求越来越高。
金属杂质：
危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，如钠、钾、锂等；重金属也会导致金属污染，如铁、铜、铝、铬、钨、钛等。
金属杂质可能来自化学溶液或者半导体制造中的各种工序，如离子注入等，也可能来自化学品与传输管道和容器的反应。
有机物沾污：
有机物主要指包含碳的物质，它们可能来自于细菌、润滑剂、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。
自然氧化层：
如果硅片被暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化，这一薄氧化层被称为自然氧化层。
自然氧化层一方面妨碍其他工艺步骤，如单晶薄膜的生长；另一方面增加接触电阻，减少甚至阻止电流流过。
牺牲层：
为了形成半导体微机结构的空腔或可活动的微结构，往往需要牺牲层支持，牺牲层起分层作用，当上层膜形成后，需要将此层腐蚀掉。
牺牲层若未被清洗干净，将造成器件电性失效。
抛光残留物：
要获得质量好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。
抛光过后，残留物对后续工艺会造成较大影响，因此需要及时清洗
半导体清洗指对晶圆表面进行无损伤清洗，用于去除半导体硅片制造、晶圆制造和封装测试每个步骤中可能产生的杂质，避免杂质影响芯片良率和性能。
清洗工艺贯穿整个半导体生产过程：
1）在硅片制造环节，经抛光后的硅片，需要通过清洗工艺保证其表面的平整度和性能，从而提高在后续工艺中的良率。
2）在晶圆制造环节，晶圆经过光刻、刻蚀、沉积等关键工序前后均需要清洗，去除晶圆沾染的化学杂质，减小缺陷率。
3）在芯片封装阶段，芯片需要根据封装工艺进行TSV（硅穿孔）清洗、UBM/RDL（凸点底层金属/薄膜再分布技术）清洗。
三大环节中，晶圆制造环节的清洗步骤最多，清洗设备运用也最多，几乎每一步光刻、刻蚀、沉积、离子注入、CMP（化学机械抛光）均需要经历清洗工艺。
1.2清洗方法：
湿法清洗占据主导，物理方法决定工艺难度
根据清洗介质不同，半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。
目前湿法清洗是主流的技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。
湿法清洗是针对不同的工艺需求，采用特定化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质，可同时采用超声波、加热、真空等物理方法。
干法清洗指不使用化学溶剂的清洗技术，主要包括等离子清洗、超临界气相清洗、束流清洗等。
1）湿法清洗——化学方法
湿法清洗可以进一步分为化学方法和物理方法。
化学方法采用化学液实现清洗，随着工艺的改进，化学清洗方法朝着减少化学液的使用量和减少清洗步骤两个方向发展。
化学清洗方法包括包括RCA、改进RCA、IMEC等。
①RCA清洗：
由美国无线电公司（RCA）于20世纪60年代提出，目前被认为是工业标准湿法清洗工艺。
该方法主要由一系列有序侵入不同的化学液组成，即1号标准液（SC1）和2号标准液（SC2）。
1号标准液化学配料为：
NH4OH：
H2O2：
H2O（1:
1:
5），2号标准液化学配料为：
HCL：
H2O2：
H2O（1:
1:
6）。
②改进RCA清洗：
RCA清洗使用了大量的化学液，实际应用中被做了改进。
改进RCA清洗方法主要稀释了化学液，SC1化学液比例由传统的1:
1:
5稀释为1:
4:
50。
稀释化学液对人体健康安全有很多改善，同时减少了化学液的使用，降低了工厂成本及对环境的污染。
③臭氧清洗：
臭氧清洗是一种高效而简单的清洗方法。
通过加入臭氧及双氧水到氢氟酸中可有效去除金属离子。
④IMEC清洗：
IMEC（InteruniversityMicroelectronicsCenter）在清洗工艺技术中做了大量的研究工作，其中最重要的贡献是应用了稀释的RCA清洗技术，并且IMEC已经描绘出未来的清洗技术发展方向：
清洗技术是朝着减少化学液及清洗流程的方向发展。
2）湿法清洗——物理方法
物理清洗方法：
物理方法通常作为辅助方法，结合化学液实现更好的清洗效果。
物理清洗方法包括机械刷洗法、超声波/兆声波清洗法、二流体清洗法、旋转喷淋法等。
当今半导体清洗工艺，化学药液基本相同，辅助的物理方法往往成为不同工艺的主要差别，也成为半导体清洗工艺的核心难点。
①机械刷洗法：
配置专用刷洗器，利用刷头与晶圆表面的摩擦力，配合去离子水以达到去除颗粒杂质的清洗方法。
②超声波/兆声波清洗：
超声波常被用作一种辅助的能量来源，它可以配合SC1等药液，加强清洗效果。
其原理是超声波通过清洗液体传播，液体中的气泡在声波的驱动下，会快速的变大变小，产生冲击力，从而驱动颗粒脱离硅片表面。
但当振幅很大时，有些气泡会破裂，在局部产生非常大的冲击力。
超声波的频率是重要的参数，频率越低，气泡破裂的可能性越大，冲击力越大；频率越高，气泡振幅越小，来不及破裂就进入缩小周期，同时也减少了气泡数量，降低了冲击力。
通常将频率20-40kHz称为超声波清洗，1-4MHz工艺频率称为兆声波清洗。
随着特征尺寸的减小，冲击力大容易导致图形倒塌，因此常用的频率为1-4MHZ，以保持适当的冲击力。
超声波技术的关键是如何得到均匀的能量，盛美专利技术SAPS（SpaceAlternativePhaseShift，空间交替相移技术），通过周期性变化的超声波与硅片的距离，以及间断性的开关兆声波发生器，使得一定时间内，传递到硅片上的总能量相等。
克服了超声波能量均匀性难题，在实际运用中效果良好。
③旋转喷淋法：
基于喷嘴的清洗方法（Nozzlebased），特点是通过不同的喷嘴，喷出不同的药液，例如水柱、水雾等，利用冲击力去除颗粒。
冲击力的大小取决于液体颗粒的大小以及速度。
该技术的发展分为两个阶段：
早期的Jet工艺：
直接喷水柱到旋转的硅片上，冲击力大，清洗效果不错，但容易导致图形坍塌。
之后推出NanoSpray技术：
将N2通入去离子水中，形成水雾，以很高的速度喷到硅片表面，成为去除颗粒的动力，以解决图形坍塌问题。
这种技术中，水珠颗粒越大，冲击力越大。
如何得到小且均匀的水珠是关键技术。
水珠的大小主要通过改变喷嘴孔径实现，通过调节N2的大小也能改变冲击力。
④二流体清洗方法：
一种精细化的水气二流体雾化喷嘴，在喷嘴的两端分别通入液体介质和高纯氮气，使用高纯氮气为动力，辅助液体微雾化成极微细的液体粒子被喷射至晶圆表面，从而达到去除颗粒的效果。
这样的流体接近液体的密度，接近气体的表面张力以及粘性，适用于高深宽比结构，或是不能沾水表面的清洗。
3）干法清洗
除湿法清洗外，同样存在几种干法清洗方法，不过运用较少，包括：
①等离子体基干法清洗：
在强电场作用下，使氧气产生等离子体，迅速使光刻胶气化成为可挥发性气体状态物质并被抽走。
②气相清洗：
利用液体工艺中对应物质的气相等效物与圆片表面的沾污杂质相互作用。
③束流清洗：
利用高能量的、呈束流状的物质流，与圆片表面的沾污杂质发生相互作用，从而清除晶圆表面杂质。
1.3本章小结
经过以上分析，我们得出以下结论：
（1）半导体清洗是芯片制造的重要环节。
如果清洗精度不够，残留杂质将导致芯片电学失效。
芯片生产中，80%的电学失效都是由沾污带来的缺陷引起的，半导体清洗工艺对芯片良率至关重要。
（2）半导体清洗工艺难点在于不同的物理辅助方法。
半导体清洗主要采用湿法工艺，即利用化学药液清洗，同时常常借助物理方法增强清洗效果，如超声波/兆声波、旋转喷淋、二流体等方法。
清洗过程中，化学药液基本相同，辅助方法往往成为清洗工艺的主要难点。
二、清洗设备：
全球市场超30亿美元，DNS是绝对龙头
2.1清洗设备：
芯片良率的重要保障，单片设备成为主流
半导体清洗设备通过不断将各种污染杂质控制在工艺要求范围内，提高芯片的良率和性能，是芯片良率的重要保障。
随着芯片技术的不断提升，清洗设备的要求也越来越高。
根据结构清洗设备可分为单片清洗设备、槽式清洗设备、批式旋转喷淋清洗设备、洗刷器等。
在集成电路制造的先进工艺中，单片清洗设备已取代槽式设备成为主流，主要由于：
1）单片清洗能够在整个制造周期提供更好的工艺控制，改善了单个晶圆和不同晶圆间的均匀性，提高了产品良率；
2）更大尺寸的晶圆和更先进的工艺对于杂质更敏感，槽式清洗出现交叉污染的概率更大，进而危及整批晶圆的良率，带来高成本的芯片返工支出。
在40nm以下工艺，单片清洗设备已成为主流。
清洗方法和工艺方案构成清洗设备的技术门槛。
1）不同的清洗方法往往构成不同设备厂家的核心竞争力，相关厂家通过专利对各自的技术路线进行保护。
例如对于单片清洗设备，不同厂家可以选择旋转喷淋、兆声波等不同方法进行清洗。
不同方法拥有不同的优势，这也给予了后起玩家进行差异化竞争的机会。
2）对于同一类型、相同清洗方法的设备而言，不同的硬件组合和工艺方案，也会产生明显的设备性能差别。
对于后起玩家而言，如何避免已有玩家的专利，并进行性价比的追赶，是竞争中获胜的核心要点。
清洗设备单台价值和毛利率均非常高。
对比盛美股份和中微公司产品，我们发现，清洗设备单价高于刻蚀设备，毛利率和刻蚀设备接近。
从单价来看，2018年盛美股份单片清洗设备单价约2500万元，槽式清洗设备单价约1600万元（2019年数据，2018年没有槽式设备数据）；而2018年中微公司半导体刻蚀设备单价约为800万元。
从利润水平来看，2018年中微公司刻蚀设备毛利率达47.52%，盛美股份单片清洗设备毛利率为44.50%，与刻蚀设备毛利率基本相当。
2.2全球市场规模超30亿美元，DNS是绝对龙头
半导体清洗设备跟随全球半导体行业景气度共同变化。
根据Gartner数据，2019年全球半导体清洗设备市场规模为30.49亿美元，相比2018年的34.17亿美元下滑10.77%，占全球半导体设备的5%，是第五大设备构成。
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