[原创] 芯片制造关键一环愈加凸出，中国是未来主战场
2021-06-29
14:00:03
来源: 半导体行业观察
近期，美国技术咨询公司Linx Consulting主办的Surface Preparation and Cleaning Conference（SPCC）会议上，半导体技术趋势研究公司 IC Knowledge 就先进制程DRAM、NAND和逻辑芯片的未来发展发表了演讲，重点分析了这三种器件制造过程中清洗工艺流程的过去和未来趋势。
DRAM方面，其制程已经进化到1x-nm（约为19nm/18nm）、1y-nm（约为17nm/16nm）、1z-nm（约为15nm）。这对清洗工艺提出了更高的要求，工序数明显增加，已经超过200道，而当制程发展到1+-nm（14nm）以后，将使用浸没ArF光刻的多patterning，而原来采用EUV光刻的单patterning清洗步骤减少，达到1μ-nm及更高版本以后，必须采用EUV光刻的双patterning，清洗步骤将显著增加。在DRAM清洗流程中，晶圆背面和斜面清洗的步骤数最多，电阻剥离后清洗，CMP后清洗仅次于此。
3D NAND 闪存方面，以三星的V-NAND工艺为例，至少128层，清洗步骤增加很多，而随着层数增加，清洗步骤不断增加，如160层为80层两级重叠结构，276层为96层三级重叠结构，368层为96层四级，512层为128层四级重叠结构，清洗超过250步，主要集中在背面、斜面和CMP后清洗，这些呈现明显上升趋势。
逻辑芯片方面，以台积电的先进制程节点为例，但随着节点变小，清洗次数逐步增加，5nm全面引入EUV光刻，ArF多patterning在关键层被更改为EUV单patterning，清洗步骤减少。然而，到了1.5nm及更高级制程，由于EUV被迫采用双patterning，清洗过程复杂起来。在逻辑芯片制造的清洗中，背面和斜面清洗最多，此外，多层布线结构的BEOL清洗次数明显多于存储芯片的。
清洗设备重要性愈加凸出
清洗工序用于去除芯片制造中各工艺步骤可能存在的杂质，避免杂质影响芯片良率和芯片产品性能。目前，随着芯片制造工艺先进程度的持续提升，对晶圆表面污染物的控制要求不断提高，每一步光刻、刻蚀、沉积等重复性工序后，都需要一步清洗工序。清洗不仅应用于芯片制造，其在硅片制造和封装测试过程中也必不可少。
可以说，在芯片制造的全部工序流程中，清洗是所有工艺中出现次数最多的，且未来还将进一步增加，因为这是保障芯片良率的关键所在。
按照原理划分，清洗工艺可分为干法清洗和湿法清洗。在实际生产过程中，一般将湿法和干法两种结合使用，目前，90%以上的清洗步骤以湿法工艺为主。干法清洗是指不依赖化学试剂的清洗技术，包括等离子体清洗、气相清洗、束流清洗等。以等离子体清洗为例，是通过向等离子体反应系统中通入少量氧气，在强电场作用下生成等离子体，可使光刻胶迅速氧化生成可挥发性气体被抽走，具有高效、操作方便等优点，适合应用于去胶后清洗中。
湿法清洗包括纯溶液浸泡、机械擦拭、超声/兆声清洗、旋转喷淋法等。湿法工艺是指采用腐蚀性和氧化性的化学溶剂进行喷雾、擦洗、蚀刻和溶解随机缺陷，使硅片表面的杂质与溶剂发生化学反应，生成可溶性物质、气体或直接脱落，并利用超纯水清洗硅片表面并进行干燥，以获得满足洁净度要求的硅片。为了提高硅片清洁效果，可以采用超声波、加热、真空等辅助技术手段。
湿法清洗工艺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，其中，单片清洗设备是主流。
在半导体产业40年的发展历程中，根据摩尔定律，芯片制造商通过缩小制程节点、增加晶圆尺寸来降低成本。然而，300mm向450mm晶圆的过渡一直是设备制造商的痛点。此外，半导体行业正在向3D NAND大规模生产过渡，在这个过程中，线性收缩的物理限制已接近极限。
随着大规模集成电路的发展，清洗工艺的重要性和高精度需求愈加凸出。
一方面，现代微电子技术工业对工艺过程中硅片的清洁度要求越来越高，需要非常专业的清洗设备才能满足参数要求。在制程节点为35nm时，需要保证硅片表面颗粒及COP密度小于0.1个/平方厘米，表面临界金属元素的密度小于109个原子/平方厘米。而现在的7nm则对硅片提出了更高的清洁参数要求。
另外，经济效益也要求半导体公司在清洁工艺上不断突破，提高对于清洁设备的参数要求。随着工艺节点的不断缩小，对于那些寻求先进制程芯片的制造商来说，有效的无损清洁将是一个很大的挑战，尤其是7nm、5nm。芯片制造商不仅能从平坦的晶圆表面除去更小的随机缺陷，还要适应更复杂3D芯片架构，以免造成损害或材料损失，从而影响良率和营收。
寡头垄断
尽管清洗设备在半导体设备市场中占比相对光刻机等核心设备较低（约6%-7%），但清洗设备对厂商的良率和经济效益有着至关重要的影响。因此，作为半导体产业链中不可替代的一环，清洗设备有着稳定增长的市场空间。据Gartner统计，2018年全球半导体清洗设备市场规模为34.17亿美元，2019和2020年受全球半导体行业景气度下行的影响，有所下降，分别为30.49亿美元和25.39亿美元。预计2021年随着全球半导体业复苏，全球清洗设备市场将呈逐年增长态势，到2024年，预计将达到31.93亿美元规模。
在全球清洗设备市场，日本迪恩士公司占据40%以上的市场份额，此外，TEL（日本东京电子）、Lam 和韩国SEMES也占据了较高的市场份额。总体来看，该市场集中度较高。
迪恩士专注于半导体制造设备，尤其是清洗设备的研发和推广，开发出了适应于多种环境的各类清洗设备，并在三个主要半导体清洗领域均取得最高市场占有率，依靠技术创新成为了该市场的龙头。其中，自动清洗台技术门槛相对低，相对晶圆清洗设备市场参与者更多，但市场份额由迪恩士和东京电子牢牢把持着；洗刷机设备市场也由迪恩士和东京电子两家公司主导，迪恩士占据60%-70%的份额。
中国清洗设备厂商市占率较小，主要包括盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技。其中，盛美半导体主要产品为集成电路领域的单片清洗设备，通过自主研发和改进超声和兆声清洗技术， 走出了自主创新清洗设备之路；北方华创收购美国半导体设备生产商Akrion Systems LLC后，主要产品为单片及槽式清洗设备；芯源微产品主要应用于集成电路制造领域的单片式刷洗领域；至纯科技具备生产 8-12 英寸高阶单晶圆湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术。
中国市场潜力广大
虽然中国半导体清洗设备供给端市占率较小，但消费端的规模却很大，且还在不断增长中。据测算，2020年，我国晶圆厂对清洗设备的需求达到了高点，约为105亿元。而2018至2022年的市场空间将达到424亿元。其中，单片晶圆清洗设备也将是国内市场的主流，未来几年的市场空间为278.7亿元。而这一数字还是较为保守的，依据目前的全球性芯片荒状况，以及中国晶圆厂的扩展步伐来看，实际需求将只多不少。
据中国国际招标网统计，在集成电路制造厂商长江存储、华虹无锡、上海华力二期项目累计采购的200多台清洗设备中，按中标数量对供应厂商排序，依次是迪恩士、盛美、Lam、TEL和北方华创，所占份额依次为48%、20.5%、20%、6%和1%，盛美在国产清洗设备供应商中排名第一，其国内半导体清洗设备行业龙头地位凸显。
北方华创在整合了美国的清洗设备厂商Akrion的技术后，产品覆盖范围更广了，包括单晶圆清洗设备和自动清洗站，应用于成膜前后、抛光、刻蚀等多个环节的清洗工艺中。
结语
总体来看，目前的全球半导体清洗设备市场，依然被那几家传统巨头占据着，中国相关厂商要想在市占率方面突破，还需要不断钻研，打磨技术和产品，才能在未来竞争中争夺更多话语权。此外，如果想在先进制程工艺方面有所发展的话，就必须深入了解相应的技术和市场应用发展趋势，就像前文提到的采用最先进制程存储器和逻辑芯片所需要的清洗技术和设备。
综上，对于全球的半导体清洗设备厂商而言，要想在未来竞争中享有优势，就必须紧盯以下几点：一是晶圆代工厂和逻辑芯片厂商不断布局更小制程节点时所需的产线扩张，需要大量高精度单片晶圆清洗设备；二是对于3D结构的存储芯片而言，重点是高产能单片晶圆清洗设备和高精度自动清洗台；三是中国市场，因为这里将是未来全球半导体业的主战场。
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