一、半導體清洗技術(shù)中濕法清洗占主導，單片清洗設備為主流濕法設備
根據觀(guān)研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國半導體清洗設備行業(yè)現狀深度分析與發(fā)展前景研究報告（2024-2031年）》顯示，半導體制造過(guò)程中不可避免會(huì )產(chǎn)生一些顆粒、有機物、自然氧化層、金屬雜質(zhì)等污染物，為避免污染物影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能，半導體清洗工序必不可少。
半導體制造過(guò)程中污染物對后續工藝影響
| 污染物 | 來(lái)源 | 主要危害 |
| 顆粒 | 環(huán)境，其他工藝工程中產(chǎn)生 | 影響后續光刻，干法刻蝕工藝，造成器件短路 |
| 自然氧化層 | 環(huán)境 | 影響后續氧化，沉積工藝，造成器件電性失效 |
| 金屬污染 | 環(huán)境，其他工藝工程中產(chǎn)生 | 影響后續氧化工藝，造成器件電性失效 |
| 有機物 | 干法刻蝕副產(chǎn)物，環(huán)境 | 影響后續沉積工藝，造成器件電性失效 |
| 犧牲層 | 氧化/沉積工藝 | 影響后續特定工藝，造成器件電性失效 |
| 拋光殘留物 | 研磨液 | 影響后續特定工藝，造成器件電性失效 |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
根據清洗介質(zhì)的不同，半導體清洗技術(shù)可以分為濕法清洗（包括溶液浸泡法、機械刷洗法、二流體清洗、超聲波清洗、兆聲波清洗、批式旋轉噴淋法）和干法清洗（括等離子清洗、氣相清洗和束流清洗）兩種。
濕法清洗是根據不同的工藝需求，主要是通過(guò)去離子水、清洗劑等對晶圓表面進(jìn)行無(wú)損傷清洗，以去除晶圓制造過(guò)程中的雜質(zhì)。干法清洗是指不使用化學(xué)溶劑，采用氣態(tài)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(yōu)點(diǎn)，但可清洗污染物比較單一，主要在28nm及以下技術(shù)節點(diǎn)的邏輯產(chǎn)品和存儲產(chǎn)品有應用。目前半導體清洗以濕法清洗為主，占總清洗步驟的90%以上。
半導體清洗技術(shù)分類(lèi)
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類(lèi)別 |
清洗方法 |
清洗介質(zhì) |
工藝簡(jiǎn)介 |
應用特點(diǎn) |
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濕法清洗 |
溶液浸泡法 |
批式旋轉噴淋法 |
主要用于槽式清洗設備，將待清洗晶圓放入溶液中浸泡，通過(guò)溶液與晶圓表面及雜質(zhì)的化學(xué)反應達到去除污染物的目的。 |
應用廣泛，針對不同的雜質(zhì)可選用不同的化學(xué)藥液；產(chǎn)能高，同時(shí)可進(jìn)行多片晶圓浸泡工藝；成本低，分攤在每片晶圓上的化學(xué)品消耗少；容易造成晶圓之間的交叉污染 |
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機械刷洗法 |
去離子水 |
主要配置包括專(zhuān)用刷洗器，配合去離子水利用刷頭與晶圓表面的摩擦力以達到去除顆粒的清洗方法。 |
成本低，工藝簡(jiǎn)單，對微米級的大顆粒去除效果好；清洗介質(zhì)一般為水，應用受到局限；易對晶圓造成損傷。一般用于機械拋光后大顆粒的去除和背面顆粒的去除。 |
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二流體清洗 |
SC-1 溶液,去離子水等 |
一種精細化的水氣二流體霧化噴嘴，在噴嘴的兩端分別通入液體介質(zhì)和高純氮氣，使用高純氮氣為動(dòng)力，輔助液體微霧化成極微細的液體粒子被噴射至晶圓表面，從而達到去除顆粒的效果。 |
效率高，廣泛用于輔助顆粒去除的清洗步驟中；對精細晶圓圖形結構有損傷的風(fēng)險，且對小尺寸顆粒去除能力不足。 |
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超聲波清洗 |
化學(xué)溶劑加超聲輔助 |
在 20-40kHz 超聲波下清洗，內部產(chǎn)生空腔泡，泡消失時(shí)將表面雜質(zhì)解吸。 |
能清除晶圓表面附著(zhù)的大塊污染和顆粒；易造成晶圓圖形結構損傷。 |
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兆聲波清洗 |
化學(xué)溶劑加兆聲波輔助 |
與超聲波清洗類(lèi)似，但用 1-3MHz 工藝頻率的兆聲波。 |
對小顆粒去除效果優(yōu)越，在高深寬比結構清洗中優(yōu)勢明顯，精確控制空穴氣泡后，兆聲波也可應用于精細晶圓圖形結構的清洗；造價(jià)較高。 |
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批式旋轉噴淋法 |
高壓噴淋去離子水或清洗液 |
清洗腔室配置轉盤(pán)，可一次裝載至少兩個(gè)晶圓盒，在旋轉過(guò)程中通過(guò)液體噴柱不斷向圓片表面噴淋液體去除圓片表面雜質(zhì)。 |
與傳統的槽式清洗相比，化學(xué)藥液的使用量更低；機臺占地面積??；化學(xué)藥液之間存在交叉污染風(fēng)險，若單一晶圓產(chǎn)生碎片，整個(gè)清洗腔室內所有晶圓均有報廢風(fēng)險。 |
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干法清洗 |
等離子清洗 |
氧氣等離子體 |
在強電場(chǎng)作用下，使氧氣產(chǎn)生等離子體，迅速使光刻膠氣化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)物質(zhì)并被抽走。 |
工藝簡(jiǎn)單、操作方便、壞境友好、表面干凈無(wú)劃傷；較難控制、造價(jià)較高。 |
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氣相清洗 |
化學(xué)試劑的氣相等效物 |
利用液體工藝中對應物質(zhì)的汽相等效物與圓片表面的沾污物質(zhì)相互作用。 |
化學(xué)品消耗少，清洗效率高；但不能有效去除金屬污染物；較難控制、造價(jià)較高。 |
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束流清洗 |
高能束流狀物質(zhì) |
利用液體工藝中對應物質(zhì)的汽相等效物與圓片表面的沾污物質(zhì)相互作用。 |
技術(shù)較新，清洗液消耗少、避免二次污染；較難控制、造價(jià)較高。 |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
數據來(lái)源：觀(guān)研天下數據中心整理
主流的濕法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，其中單片清洗設備具備極高的工藝控制和微粒去除能力，可有效的解決晶圓間交叉污染，其應用廣泛，是晶圓制造環(huán)節中市場(chǎng)份額最高的清洗設備。根據數據，2019年，全球單片清洗設備占比高達75%，遠高于槽式清洗設備的18.09%、組合式清洗設備的6.82%、批發(fā)螺旋噴淋清洗設備的0.43%。
濕法清洗設備分類(lèi)
| 設備種類(lèi) | 清洗方式 | 應用特點(diǎn) |
| 單片清洗設備 | 旋轉噴淋，兆聲波清洗，二流體清洗，機械刷洗等 | 具有極高的工藝環(huán)境控制能力與微粒去除能力，有效解決晶圓之間交叉污染的問(wèn)題；每個(gè)清洗腔體內每次只能清洗單片晶圓，設備產(chǎn)能較低 |
| 槽式清洗設備 | 溶液浸泡，兆聲波清洗等 | 清洗產(chǎn)能高，適合大批量生產(chǎn)；但顆粒，濕法刻蝕速度控制差；交叉污染風(fēng)險大 |
| 組合式清洗設備 | 溶液浸泡+旋轉噴淋組合清洗 | 產(chǎn)能較高，清洗精度較高，并可大幅降低濃硫酸使用量；產(chǎn)品造價(jià)較高 |
| 批式旋轉噴淋清洗設備 | 旋轉噴淋 | 相對傳統槽式清洗設備，批式旋轉設備可實(shí)現 120oC 以上甚至達到 200oC 高溫硫酸工藝要求；各項工藝參數控制困難，晶圓碎片后整個(gè)清洗腔室內所有晶圓均有報廢風(fēng)險 |
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二、半導體清洗設備增長(cháng)空間廣闊，2027年市場(chǎng)規模將達65億美元
隨著(zhù)半導體制造工藝技術(shù)的不斷提升，芯片尺寸不斷縮小，對雜質(zhì)敏感度提升，清洗步驟也在不斷增加，90nm的芯片清洗工藝約90道，20nm的清洗工藝則達到了215道，目前清洗步驟占整個(gè)半導體工藝所有步驟約1/3，幾乎所有制作過(guò)程前后都需要清洗，為清洗設備帶來(lái)了廣闊的增長(cháng)空間。
2023年全球半導體清洗設備規模達到50億美元，同比下降2.01%；隨著(zhù)半導體下游需求回暖，晶圓廠(chǎng)保持高額資本開(kāi)支，預測2027年全球半導體清洗設備市場(chǎng)規模達65億美元，對應2023-2027年CAGR為6.73%。
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三、海外廠(chǎng)商憑借產(chǎn)品優(yōu)勢，壟斷全球半導體清洗設備市場(chǎng)
全球半導體清洗設備市場(chǎng)集中度高。海外廠(chǎng)商憑借可選配腔體數、每小時(shí)晶圓產(chǎn)能、制程節點(diǎn)上領(lǐng)先優(yōu)勢，壟斷全球清洗設備市場(chǎng)。根據數據，2023年全球半導體清洗設備CR4達86%，其中日本DNS、TEL，以及美國Lam、韓國SEMES公司分別占比37%、22%、17%、10%。中國廠(chǎng)商起步相對較晚，市占率較低，僅盛美上海占全球半導體清洗設備市占率7%，排名第五，清洗設備國產(chǎn)替代空間仍然廣闊。
全球半導體清洗設備代表廠(chǎng)商產(chǎn)品對比
| 公司 | DNS | TEL | 盛美上海 | 北方華創(chuàng ) | 華海清科 | 至純科技 | 芯源微 |
| 機型 | SU-3400 | CELLESTA?-iMD | UltraC VI | SC3080 | HSC-F3400 | S300-HS | KS-CM300/200 |
| 晶圓尺寸 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | - |
| 技術(shù)特點(diǎn) | 通過(guò)納米噴射方式將高密度液滴通過(guò)氮氣噴射至晶圓表面，達到顆粒去除目的 | 通過(guò) IPA 分配器的腔室氣氛控制和性能改進(jìn)，實(shí)現了無(wú)塌陷干燥技術(shù) | 清洗方式可選配SAPS 兆聲波、TEBO 兆聲波、二流體清洗 | 能夠進(jìn)行全自動(dòng)dry in dry out 清洗工藝 | 采用卓越的顆粒與金屬污染控制系統，搭載高性能卡盤(pán)夾持技術(shù) | 高溫硫酸回收、高濃度化學(xué)品穩定應用、高穩定化學(xué)品混配系統 | 通過(guò)氣體流場(chǎng)仿真優(yōu)化，確保機臺內部微環(huán)境均勻穩定，同時(shí)搭載了獨立研發(fā)的新一代高清洗效率低損傷射流噴嘴 |
| 制程節點(diǎn) | 7nm | 10nm及以上 | 28nm（14nm未量產(chǎn)） | - | - | 28nm（14nm 未量產(chǎn)） | 26nm |
| 腔體數 | 24 | - | 18 | 4腔或8腔可選 | - | - | 16 |
| 每小時(shí)晶圓產(chǎn)能(WPH) | 1200 | 600 | 800 | - | - | - | 600 |
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