晶圆清洗 | 芯片制造中最重要最频繁的工序
中国是半导体最大的消费国，占全球芯片需求的45%，有90%以上的芯片需要进口，国内高速发展的智能手机、人工智能、物联网、云计算、大数据各个领域都对芯片有根本性的依赖。目前芯片是中国举国之力发展的行业，但最核心是要有独立自主生产能力的“中国芯“，就要取决于半导体生产设备的国产化工艺。
晶圆上的45纳米芯片图像
随着半导体技术的不断发展，对工艺技术的要求越来越高，特别是对晶圆片的表面质量要求越来越严。晶圆制造环节的清洗步骤最多，清洗设备运用也最多，光刻、刻蚀、沉积、 离子注入、CMP均需要经历清洗工艺。
前道晶圆生产过程的七大工序：
氧化/扩散-光刻-刻蚀-离子注入-薄膜沉积-CMP-金属化
晶圆片清洗质量的好坏对器件性能有严重的影响，其主要原因是圆片表面沾污造成的，这些沾污包括：超细微的颗粒、有机残留物、无机残留物和需要去除的氧化层；颗粒和金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率。在目前的集成电路生产中,由于晶圆片表面沾污问题，导致50% 以上的材料被损耗掉和80%的芯片电学失效。
正是由于晶圆清洗是半导体制造工艺中最重要、最频繁的工序，而且随着尺寸缩小、结构复杂化，芯片对杂质含量的敏感度也相应提高，将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性，所以国内外各大公司、研究机构等对清洗工艺的研究一直在不断地增强。据盛美公司估计，每月十万片的DRAM工厂，1%的良率提升可为客户每年提高利润3000-5000 万美元。晶圆清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤30%以上，而且随着节点的推进，清洗工序的数量和重要性会继续提升，清洗设备的需求量也将相应增加。
半导体晶圆清洗工艺细分为RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、超声波清洗法、气相清洗法、等离子清洗法等，可归纳为湿法和干法两种，湿法清洗是目前主流技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。
湿法清洗采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗——氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。湿法清洗主要包括RCA清洗法、超声波清洗等，效率高、成本较低，但由于化学试剂使用多，会造成化学交叉污染、图形损伤。
干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术。包括气相清洗法、等离子体清洗等，优点有清洗环境友好、低磨损等，但受限于成本高、控制精度要求等，目前无法大量应用于全部产线，在少量特定步骤会采用干法清洗。
除去晶圆清洗，等离子清洗也常用于光刻胶的去除工艺中,在等离子体反应系统中通入少量的氧气,在强电场作用下,使氧气产生等离子体,迅速使光刻胶氧化成为可挥发性气体状态物质被抽走。这种清洗技术在去胶工艺中具有操作方便、效率高、表面干净、无划伤、有利于确保产品的质量等优点。
晶圆清洗技术随着工艺节点推进而发生变化。在工艺节点不断推进的前提下，为了降低颗粒物污染、提高良率，需要继续增加清洗步骤。在80~60nm的工艺制程中，清洗工艺约有100个步骤，而当工艺节点来到20nm以下时，清洗步骤增加至200道以上。而越往下走，要得到较高的良率，几乎每步工序都离不开清洗。在湿法清洗工艺路线下，目前主流的清洗设备主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。
先进制程中，单片清洗逐渐取代槽式批量清洗，并且占据最高的市场份额。单片清洗技术是盛美半导体突破兆声波气泡内爆破坏理论，自主研制的颠覆性的TEBO无损伤单片清洗技术。单晶圆清洗可以减少材料损伤，孔洞的清洗能力，防止晶片结构损伤，清除交叉污染 ，改善晶圆可靠性；槽式清洗具备良好的设备稳定性、高处理性能和批量生产的高生产率，可以清除金属、材料及微粒子的交叉污染 ，但是设备产能较低，污染风险较大。在90-65nm工艺中，为节约成本、提高效率，通常以槽式设备清洗为主； 而在更低线宽nm级工艺中，对杂质的容忍度较低，工艺越先进，单片清洗技术的占比往往越高。
ACM的薄晶圆清洗系统。采用TEBO(时序能激气穴震荡)兆声波清洗技术。在进行机械研磨/抛光以达到所需的厚度之后，ACM的处理系统将在随后的关键工艺中支持这些超薄、高翘曲的晶圆，包括使用湿法蚀刻来减薄硅以消除微裂纹。此外，通过实施不同的化学组合，该工具可用于清洁，光刻胶去除，薄膜去除和金属蚀刻。
纵观全球半导体清洗设备市场，主要由迪恩士、东京电子和拉姆研究等日美韩企业瓜分，合计占据约95%的市场份额，行业高度集中。国内清洗设备龙头盛美半导体市占率约2.3%，但未来有绝对潜力拓展发展空间。本土清洗设备市场国有化率约为20%，但是，今后几年随着国内芯片产业开始迎来井喷式爆发，国产清洗设备厂商将继续昂头挺进。盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技等是国内半导体清洗的先行者，其中盛美半导体更是杀进欧美国家垄断的国际细分市场。
Gartner 预测，整体晶圆代工市场2019 年到 2023 年的复合年均成长率为 4.5%，市场营收可望于 2023 年达到 783 亿美元。而2018年至2020年之间建设的新工厂和线路将需要 2200 亿美元的晶圆厂设备。晶圆清洗作为半导体产业链中不可替代的一环，随着工艺节点的升级以及良率要求提高，清洗设备用量需求将持续增加，有着稳定而增长的市场空间，预计2020 年就将达到 35-40 亿美元。
集成电路是半导体产业的核心构成。据WSTS 统计，2019 年集成电路销售额达 3,304 亿美元，占全球半导体产业销售额的 80.77%，是当之无愧的半导体支柱型产品。
前道晶圆生产流程所需设备
半导体中，手机芯片占据最大需求。在美国霸道制裁下，中芯国际扑向国产替代部件，华为、联发科入局芯片设计与制造。北方华创、中微公司、盛美股份、华峰测控、上海微电子在芯片材料、设计到生产制备的各大核心环节上均实现从0到1的突破，逐个占山为王，合纵突破美帝围剿。在外部压力刺激下，半导体设备受到国内政策、产业、资金全方位的支持，国产替代有序推进。随着全球晶圆产能向大陆转移，大陆半导体设备市场将继续维持高位增长，半导体清洗公司将大大受益。
而未来，新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能，在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。中国有望主导芯片技术的‘直道’超车。
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