半導體制造設備系列(7)-清洗設備

清洗是貫穿半導體產業鏈的重要工藝環節，用于去除半導體硅片制造、晶圓制造和封裝測試每個步驟中可能存在的雜質，避免雜質影響芯片良率和芯片產品性能。半導體清洗主要是針對不同的工藝需求對晶圓表面進行無損傷清洗以去除半導體制造過程中的顆粒、自然氧化層、金屬污染、有機物、犧牲層、拋光殘留物等雜質。

目前，隨著芯片制造工藝先進程度的持續提升，對晶圓表面污染物的控制要求不斷提高，每一步光刻、刻蝕、沉積等重復性工序后，都需要一步清洗工序，對清洗設備的需求也相應增加。

一、半導體清洗的原理及分類：

目前半導體清洗技術主要分為濕法清洗和干法清洗兩種工藝路線。

濕法清洗是針對不同的工藝需求，采用特定的化學藥液和去離子水，對晶圓表面進行無損傷清洗，以去除晶圓制造過程中的顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層、拋光殘留物等物質，可同時采用超聲波、加熱、真空等輔助技術手段；

干法清洗是指不使用化學溶劑的清洗技術，主要包括等離子清洗、超臨界氣相清洗、束流清洗等技術。干法清洗主要是采用氣態的氫氟酸刻蝕不規則分布的有結構的晶圓二氧化硅層，雖然具有對不同薄膜有高選擇比的優點，但可清洗污染物比較單一，目前在 28nm 及以下技術節點的邏輯產品和存儲產品有應用。

晶圓制造產線上通常以濕法清洗為主，少量特定步驟采用濕法和干法清洗相結合的方式互補所短，構建清洗方案。未來清洗設備的濕法工藝與干法工藝仍將并存發展，均在各自領域內向技術節點更先進、功能多樣化、體積小、效率高、能耗低等方向發展，在短期內濕法工藝和干法工藝無相互替代的趨勢。目前濕法清洗是主流的清洗技術路線，占芯片制造清洗數量 90%以上。

圖1. 清洗方法分類

在濕法清洗工藝路線下， 目前主流的清洗設備主要包括單片清洗設備、槽式清洗設備、組合式清洗設備和批式旋轉噴淋清洗設備等，其中單片清洗設備市場份額占比最高。濕法清洗工藝路線下主流的清洗設備存在先進程度的區分，主要體現在可清洗顆粒大小，金屬污染，腐蝕均一性以及干燥技術等標準。在集成電路制造的先進工藝中，單片清洗已逐步取代槽式清洗成為主流。

圖2. 單片清洗及槽式清洗原理

二、半導體清洗設備的市場情況：

根據 Gartner 數據， 2018 年全球半導體清洗設備市場規模為 34.17 億美元， 2019-2020 年全球半導體行業景氣度下行，市場規模有所下降。隨著芯片工藝的不斷進步，清洗工序的數量大幅提高，所需的清洗設備數量也將持續增長，給清洗設備帶來了巨大的新增市場需求；此外，芯片的 3D 化對清洗設備提出了更高的技術要求，在芯片工藝和芯片結構的影響下，清洗設備的價值不斷提升。

圖3. 清洗設備市場規模(億美元)

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