作者:畅秋

 

半导体清洗设备市场由国际巨头把持,中国厂商正在奋起直追。

 

上周,中国半导体设备市场又传来一则重要信息,本土清洗设备厂商盛美上海推出新型化学机械抛光后(Post-CMP)清洗设备,这是该公司的第一款Post-CMP清洗设备,用于制造高质量衬底化学机械抛光工艺之后的清洗。该清洗设备6英寸和8英寸的配置适用于碳化硅(SiC)衬底制造;8英寸和12英寸配置适用于硅晶圆制造。

 

在CMP步骤之后,需要在低温下使用稀释的化学品进行物理预清洗工艺,以减少颗粒数量。Post-CMP清洗设备能够满足这些要求。

 

在用于晶圆加工的各种前道半导体设备当中,中国市场使用的清洗设备国产化率还是比较高的,达到38%,仅次于去胶设备的74%。38%的市占率,既拥有了一定规模,又具有比较大的发展空间,是很值得关注的一个品类。

 

清洗工艺的重要性

 

在晶圆加工的各个环节,清洗工艺必不可少,它主要用于去除晶圆加工过程中上一道工序遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、有机物残留,以及光阻掩膜残留,也可根据需要进行硅氧化膜、氮化硅或金属等薄膜材料的湿法腐蚀,为下一步工序准备好晶圆表面条件。

 

根据介质不同,半导体清洗技术主要分为干法清洗和湿法清洗两类。目前,湿法清洗是主流,占总清洗步骤数量的90%以上,湿法清洗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杂质,常辅以超声波、加热、真空等技术手段。干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术,可清洗污染物比较单一,在28nm及以上制程技术的逻辑和存储芯片制造过程中有应用。

 

工艺技术和应用条件上的区别使得市场上的清洗设备也有明显差异,目前,主要清洗设备有单晶圆清洗设备、自动清洗台和洗刷机三种,其它清洗设备还包括超声/兆声清洗设备、晶圆盒清洗设备、干法清洗设备(如等离子清洗设备)等,但这些设备的市场占比较小。

 

随着大规模集成电路的发展,晶圆加工过程中清洗的重要性愈加凸出,且精度要求越来越高。在制程工艺节点为35nm时,参数要求已经较高,需要保证硅晶圆表面颗粒及COP密度小于0.1个/每平方厘米。而当下的先进制程节点在5nm以下,这对晶圆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洗工艺上不断突破,提高清洗设备的参数水平。随着制程节点不断缩小,对于那些寻求先进制程工艺芯片生产方案的制造商来说,有效的无损清洗将是一个重大挑战,尤其是7nm、5nm甚至更小制程节点的芯片,晶圆厂必须能够从平坦的晶圆表面除去更小的随机缺陷,还要适应更复杂、更精细的3D芯片架构,以免造成损害或材料损失,从而保证良率和利润。

 

随着制程节点不断缩小,在晶圆加工过程中,良率随线宽缩小而下降,而提高良率的方式之一就是增加清洗工艺的步骤。在80nm-60nm制程中,约有100个清洗步骤,而到了20nm及以后的先进制程,清洗步骤上升到了200 个以上。

 

巨头把持市场

 

清洗设备约占半导体设备市场总规模的5%。2021年,清洗设备市场增长迅速,市场规模达到42亿美元,预计2022年将达到47亿美元。

 

长期以来,全球清洗设备市场都被迪恩士(SCREEN)、TEL、LAM与细美事(SEMES,三星子公司)把持着,这四家公司合计市场占有率达到90%以上,其中,迪恩士市场份额最高,超过50%。多年来,迪恩士开发出了适于多种环境的各类清洗设备,并在清洗工艺的三个主要领域均获得第一的市场占有率。2014年后,盛美公司也进入该领域,占有较小的市场份额。

 

由于自动清洗台技术门槛相对低,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。洗刷机设备也基本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。

 

迪恩士的市场领导地位源于其技术壁垒,该公司一直引领着最为先进的清洗技术。以单晶圆清洗设备为例,迪恩士不断实现技术改进和突破,开发新的清洗设备产品,从SU-2000、SU-3100到SU-3200,再到SU-3300,不断追求更大的晶圆清洗产能,同时有效降低晶圆厂成本。SU-3200可以集成12腔室,处理能力达到800片每小时,而SS-3300能够集成24腔室,处理能力更高,有效地解决了单晶圆清洗设备产能较低的缺陷,并充分发挥优异的清洗性能,符合10nm、7nm清洗参数要求。尤其是在存储芯片领域,随着DRAM厂商追求更小工艺节点、不断加大3D-NAND产线投资,SU-3300可以提供精细化的清洗技术,同时能够实现与自动清洗站接近的产能。

 

迪恩士认为,清洗设备的未来发展集中在三个方面:一是晶圆代工厂和逻辑芯片厂不断布局更小工艺节点时的产线扩张,重点为高清洗精度单晶圆清洗设备;二是3D结构存储芯片,重点为高产能单晶圆清洗设备和高清洗精度自动清洗台;三是重视中国市场,这将是未来半导体世界的主场。

 

中国本土厂商崛起

 

中国半导体市场广大,清洗设备在这里有很好的发展前景。虽然国际半导体设备巨头占据着大部分市场份额,中国本土厂商也有很好的表现。

 

目前,有三家国内厂商可以提供中高端湿法清洗设备,分别是至纯科技、北方华创和盛美,且国内厂商的市场占比还在逐年上升中。相比于其它半导体设备,清洗设备的技术门槛较低,未来5年有望率先实现全面国产化。

 

产品方面,本土企业也是各有所长。盛美上海的单片清洗设备、全自动槽式清洗设备、单片槽式组合清洗设备、TEBO兆声波清洗设备很有特色,截至2021年10月,该公司湿法设备交付2000腔,累计出货超过300台;北方华创主要生产单片清洗设备、全自动槽式清洗设备;至纯科技擅长单片清洗设备和槽式清洗设备,该公司单片式湿法设备为旋转喷淋 Spin-Spray 类型,对标迪恩士、LAM等企业,截至2021年第三季度,至纯科技湿法设备累计交付超过100台,客户涵盖中芯宁波、中芯绍兴、中芯天津、华为、燕东微电子、上海集成电路研发中心、力积电等;芯源微也是国内正在崛起的一家半导体设备企业,该公司的单片清洗设备、全自动SCRUBBER清洗设备很有特色。

 

中国清洗设备企业产品及相关技术(来源:东方证券研究所)

 

中国清洗设备厂商的崛起为本土晶圆厂提供了更多的支持,数据显示,国内主要芯片制造厂,如长江存储、华力集成、华虹等,正越来越多地采用本土厂商生产的清洗设备。

 

据中信证券统计,在长江存储2017~2022 年清洗设备招标中,盛美上海中标设备数仅次于迪恩士,中标的国产厂商还包括北方华创、屹唐股份、芯矽科技。盛美上海共中标35台,主要包括各种单片式清洗机,北方华创共中标两台制程挡控片蚀刻回收清洗机,屹唐股份于2021年中标两台清洗设备,芯矽科技中标5台零部件清洗机。

 

2017~2022年间,在华力集成采购的清洗设备当中,盛美上海共中标了19台,包括前道、后道工艺清洗设备,数量仅次于迪恩士,北方华创中标13台,均为部件清洗设备,芯源微中标3台刷片清洗设备。

 

2017~2022年间,在华虹无锡采购的清洗设备当中,迪恩士、盛美上海分列前两位,其中,盛美中标24台,包括前后道制程,涉及铜线聚合体剥离、铝线及通孔清洗、多晶硅氧化膜硅片再生、扩散炉前清洗等环节。另一家国产厂商上海稷以于2021年9月首次中标华虹无锡清洗设备,是一台12英寸薄片等离子背面清洗机。

 

从长江存储、华力集成、华虹无锡这三家晶圆厂累计招标情况来看,国产清洗设备中标总数达到114 台,晶圆厂招标设备总数301台,由此计算国产化率约为37.8%。

 

不过,当前国产清洗设备仍以后道制程为主,且部分用于处理控片、挡片,而在正片、晶圆厂前道制程当中使用的设备少有国产身影,这是不足,也是机遇,未来有很大发展空间。