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【海通电子 深度】大国重器之国产半导体清洗设备领导者

海通电子研究  · 公众号  ·  · 2018-08-02 20:55

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清洗方案大体上可以分为干法和湿法两类,区别就在于是通过化学试剂清洗还是物理力来清洗。目前硅片清洗中,湿法清洗为主流方案,占整个清洗制程90%以上, 如RCA清洗就是过去25年来最具代表性的湿法清洗工艺。但湿法清洗由于使用相对多的化学试剂,也存在晶片损伤、化学污染和二次交叉污染等问题,而干法清洗虽然环境友好、化学用量少,但清洗控制要求和成本较高,难以大量应用于半导体生产中。 因此实际的半导体产线上通常是以湿法清洗为主,少量特定步骤采用干法清洗相结合的方式互补所短,构建半导体制造的清洗方案。

单晶圆清洗取代批量清洗是先进制程的主流。 湿法清洗按照一次清洗的对象数量分为批量清洗(Batch cleaning)和单晶圆清洗(Single wafer cleaning)。 批量清洗指的是在一个处理仓中,利用浸泡等方法同时清洗多只晶圆的方法。 这种方法由于交叉污染、清洗均匀可控性和后续工艺相容性等问题,在45nm工艺周期到来时已经无法适应新的清洗要求,单晶圆清洗开始逐步取代批量清洗。 单晶圆清洗首先能够在整个制造周期提供更好的工艺控制,即改善了单个晶圆和不同晶圆间的均匀性,这提高了良率;其次更大尺寸的晶圆和更紧缩的制程设计对于杂质更敏感,那么批量清洗中若出现交叉污染的影响会更大,进而危及整批晶圆的良率,这会带来高成本的芯片返工支出;另外圆片边缘清洗效果更好,多品种小批量生产的适配性等优点也是单晶圆清洗的优势之一。

清洗工艺上的升级同时对应了单晶圆清洗设备对槽式清洗机的取代。 单晶圆清洗通常采用单晶圆清洗设备,而批量清洗则是通常采用槽式的全自动清洗机,前者采用喷雾或声波结合化学试剂对单晶圆进行清洗,后者则是利用机械臂将载有晶圆的花篮依次通过盛有不同化学试剂的槽体进行单步或分步清洗。除了这两类,其他半导体清洗设备还包括洗刷台、超声清洗机等,但近年来市场份额很小,这里就不作探讨。 根据Gartner数据,2008年是两者市场规模的分水岭,这一年也正是各类45nm芯片开始量产的一年。2008年以前,槽式清洗市场份额还是略微领先单晶圆清洗,2008年以后,单晶圆清洗机市场迅速攀升。 2016年,两者合计的市场份额超过20亿美元,其中单晶圆清洗市场份额占约八成,槽式清洗设备占约两成。

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中国企业引领清洗设备技术进步,长期受益 量价齐升

1 中国企业成功解决兆声波清洗不均匀和易损伤两大难题


兆声波结合化学试剂清洗方案清洗效果较好,但也面临清洗不均匀和易损伤两大难题。 如前所述,干法清洗对结构的保护比较好,但只能有选择性的进行表面清理,并且成本较高。湿法清洗则利用化学试剂蚀刻、溶解或氧化表面污染物,虽然会消耗一些晶圆材料,但结合兆声波后清洗效率可达99%以上。由于纯化学清洗对半导体表面造成不同程度的材料损失,纯物理清洗在先进工艺节点的清洗效率又大幅降低,因此通常采用物理化学相结合的方法,即将化学清洗与声波、喷雾等物理清洗合并。 一部分厂商目前采用喷雾法(spray technology),但其一方面在30nm以下工艺时清洗效果相对较差,另一方面喷射的力容易损坏晶圆表面的结构;另一部分厂商采用传统兆声波方案虽然清洗效果较好,但不能保证清洗能量在整个晶圆上的均匀性和不同晶圆间能量分布的均匀性和可重复性,同时当制程到70nm以下时,清洗过程中产生的瞬态气泡也会损伤硅片图案,这也是很多大牌半导体设备厂商在后来放弃研究兆声波无损清洗的主要难关。 但这些问题不能一直置而不顾,随着14nm和10nm时代的到来,清洗工艺面临巨大的挑战。

相比传统的兆声波清洗方法,我国清洗设备公司盛美半导体(NASDAQ:ACMR)首创的SAPS技术将兆声波能量发生器和晶圆之间的间隙做周期性变化,达到了对晶圆表面兆声波能量分布的精确控制,有效解决了兆声波能量在晶圆表面分布不均匀的难题,同时TEBO清洗技术使得兆声波清洗产生的气泡不会爆炸,实现了硅片均匀和无损的兆声波清洗重要突破。 最终产品能够在12英寸硅片上实现兆声波能量面内均匀度(一个均方差)达到了2%。清洗工艺过程中,使得晶圆表面的半导体器件颗粒清除效率(PRE)达到了99%。

2 先进制造工艺带动清洗机市场量价齐升


根据TMR统计数据,2017年全球清洗机设备市场规模接近30亿美元, 2015-2020年CAGR预计为6.8%,整体呈现一个稳定增长的态势。 我们认为,未来市场增长的驱动力主要来源于集成电路技术的进步,主要是制程升级和结构升级,这个驱动力将会持续存在。 另外在半导体景气度维持,产业向中国大陆转移、国家自主可控战略和半导体供应链国产化等因素的催化下,国内的清洗机市场将面临更大的发展机会。

根据摩尔定律,集成电路晶体管的线宽将会持续缩小。 用工艺节点来表示,技术从最早的微米级到100nm以下,再到2010年的22nm,目前10nm已经成为主流工艺,7nm即将实现量产。晶体管线宽越小,单位面积的芯片上可容纳的晶体管数量越多,集成电路的性能越强;另一方面,缩小晶体管尺寸可以提高晶体管的开关速度,同样达到性能提升的目的。根据三星公布的最新的半导体工艺路线图,今年下半年将实现7nm EUV工艺的风险试产,2019年陆续开发6nm和5nm制程,2020年则会开始4nm工艺。 因此从技术趋势上说,晶体管特征尺寸在可预见的时间内依然会逐渐减小。

制程升级后清洗的频率需大幅提高,带来清洗设备量升。 但随着制程升级,产线成品率也会随之下降。造成这种现象的一个原因就是先进制程对杂质的敏感度更高,小尺寸污染物的高效清洗更困难。目前解决的方法主要是增加清洗步骤,如90nm节点只需要不到100次清洗即可实现较高的良率,而到了20nm节点的DRAM就需要200多次的清洗;粗略计算,随着工艺节点的缩小,整个清洗步骤的次数大概以15%的速度增加。根据我们对于月产10万片的DRAM fab产线测算,成品率降低1%会导致每年3000-5000万美元利润损失,若工厂产能更高,会造成更高的资本支出。因此为了避免利润损失,未来先进产线上的清洗设备数量必然是增加的。







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