半导体制造设备系列(7)-清洗设备

半导体制造设备系列(7)-清洗设备

清洗是贯穿半导体产业链的重要工艺环节，用于去除半导体硅片制造、晶圆制造和封装测试每个步骤中可能存在的杂质，避免杂质影响芯片良率和芯片产品性能。半导体清洗主要是针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗以去除半导体制造过程中的颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等杂质。

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，对清洗设备的需求也相应增加。

一、半导体清洗的原理及分类：

目前半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。

湿法清洗是针对不同的工艺需求，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，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质，可同时采用超声波、加热、真空等辅助技术手段；

干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术，主要包括等离子清洗、超临界气相清洗、束流清洗等技术。干法清洗主要是采用气态的氢氟酸刻蚀不规则分布的有结构的晶圆二氧化硅层，虽然具有对不同薄膜有高选择比的优点，但可清洗污染物比较单一，目前在 28nm 及以下技术节点的逻辑产品和存储产品有应用。

晶圆制造产线上通常以湿法清洗为主，少量特定步骤采用湿法和干法清洗相结合的方式互补所短，构建清洗方案。未来清洗设备的湿法工艺与干法工艺仍将并存发展，均在各自领域内向技术节点更先进、功能多样化、体积小、效率高、能耗低等方向发展，在短期内湿法工艺和干法工艺无相互替代的趋势。目前湿法清洗是主流的清洗技术路线，占芯片制造清洗数量 90%以上。

图1. 清洗方法分类

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，其中单片清洗设备市场份额占比最高。湿法清洗工艺路线下主流的清洗设备存在先进程度的区分，主要体现在可清洗颗粒大小，金属污染，腐蚀均一性以及干燥技术等标准。在集成电路制造的先进工艺中，单片清洗已逐步取代槽式清洗成为主流。

图2. 单片清洗及槽式清洗原理

二、半导体清洗设备的市场情况：

根据 Gartner 数据， 2018 年全球半导体清洗设备市场规模为 34.17 亿美元， 2019-2020 年全球半导体行业景气度下行，市场规模有所下降。随着芯片工艺的不断进步，清洗工序的数量大幅提高，所需的清洗设备数量也将持续增长，给清洗设备带来了巨大的新增市场需求；此外，芯片的 3D 化对清洗设备提出了更高的技术要求，在芯片工艺和芯片结构的影响下，清洗设备的价值不断提升。

图3. 清洗设备市场规模(亿美元)

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