晶圓清洗 | 芯片制造中最重要最頻繁的工序
中國是半導體最大的消費國，占全球芯片需求的45%，有90%以上的芯片需要進口，國內高速發(fā)展的智能手機、人工智能、物聯網、云計算、大數據各個領域都對芯片有根本性的依賴。目前芯片是中國舉國之力發(fā)展的行業(yè)，但最核心是要有獨立自主生產能力的“中國芯“，就要取決于半導體生產設備的國產化工藝。
晶圓上的45納米芯片圖像
隨著半導體技術的不斷發(fā)展，對工藝技術的要求越來越高，特別是對晶圓片的表面質量要求越來越嚴。晶圓制造環(huán)節(jié)的清洗步驟最多，清洗設備運用也最多，光刻、刻蝕、沉積、 離子注入、CMP均需要經歷清洗工藝。
前道晶圓生產過程的七大工序：
氧化/擴散-光刻-刻蝕-離子注入-薄膜沉積-CMP-金屬化
晶圓片清洗質量的好壞對器件性能有嚴重的影響，其主要原因是圓片表面沾污造成的，這些沾污包括：超細微的顆粒、有機殘留物、無機殘留物和需要去除的氧化層；顆粒和金屬雜質沾污會嚴重影響器件的質量和成品率。在目前的集成電路生產中,由于晶圓片表面沾污問題，導致50% 以上的材料被損耗掉和80%的芯片電學失效。
正是由于晶圓清洗是半導體制造工藝中最重要、最頻繁的工序，而且隨著尺寸縮小、結構復雜化，芯片對雜質含量的敏感度也相應提高，將直接影響到器件的成品率、性能和可靠性，所以國內外各大公司、研究機構等對清洗工藝的研究一直在不斷地增強。據盛美公司估計，每月十萬片的DRAM工廠，1%的良率提升可為客戶每年提高利潤3000-5000 萬美元。晶圓清洗步驟數量約占所有芯片制造工序步驟30%以上，而且隨著節(jié)點的推進，清洗工序的數量和重要性會繼續(xù)提升，清洗設備的需求量也將相應增加。
半導體晶圓清洗工藝細分為RCA清洗法、稀釋化學法、IMEC清洗法、超聲波清洗法、氣相清洗法、等離子清洗法等，可歸納為濕法和干法兩種，濕法清洗是目前主流技術路線，占芯片制造清洗步驟數量的90%以上。
濕法清洗采用特定的化學藥液和去離子水，對晶圓表面進行無損傷清洗——氧化、蝕刻和溶解晶片表面污染物、有機物及金屬離子污染。濕法清洗主要包括RCA清洗法、超聲波清洗等，效率高、成本較低，但由于化學試劑使用多，會造成化學交叉污染、圖形損傷。
干法清洗是指不使用化學溶劑的清洗技術。包括氣相清洗法、等離子體清洗等，優(yōu)點有清洗環(huán)境友好、低磨損等，但受限于成本高、控制精度要求等，目前無法大量應用于全部產線，在少量特定步驟會采用干法清洗。
除去晶圓清洗，等離子清洗也常用于光刻膠的去除工藝中,在等離子體反應系統中通入少量的氧氣,在強電場作用下,使氧氣產生等離子體,迅速使光刻膠氧化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)物質被抽走。這種清洗技術在去膠工藝中具有操作方便、效率高、表面干凈、無劃傷、有利于確保產品的質量等優(yōu)點。
晶圓清洗技術隨著工藝節(jié)點推進而發(fā)生變化。在工藝節(jié)點不斷推進的前提下，為了降低顆粒物污染、提高良率，需要繼續(xù)增加清洗步驟。在80~60nm的工藝制程中，清洗工藝約有100個步驟，而當工藝節(jié)點來到20nm以下時，清洗步驟增加至200道以上。而越往下走，要得到較高的良率，幾乎每步工序都離不開清洗。在濕法清洗工藝路線下，目前主流的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。
先進制程中，單片清洗逐漸取代槽式批量清洗，并且占據最高的市場份額。單片清洗技術是盛美半導體突破兆聲波氣泡內爆破壞理論，自主研制的顛覆性的TEBO無損傷單片清洗技術。單晶圓清洗可以減少材料損傷，孔洞的清洗能力，防止晶片結構損傷，清除交叉污染 ，改善晶圓可靠性；槽式清洗具備良好的設備穩(wěn)定性、高處理性能和批量生產的高生產率，可以清除金屬、材料及微粒子的交叉污染 ，但是設備產能較低，污染風險較大。在90-65nm工藝中，為節(jié)約成本、提高效率，通常以槽式設備清洗為主； 而在更低線寬nm級工藝中，對雜質的容忍度較低，工藝越先進，單片清洗技術的占比往往越高。
ACM的薄晶圓清洗系統。采用TEBO(時序能激氣穴震蕩)兆聲波清洗技術。在進行機械研磨/拋光以達到所需的厚度之后，ACM的處理系統將在隨后的關鍵工藝中支持這些超薄、高翹曲的晶圓，包括使用濕法蝕刻來減薄硅以消除微裂紋。此外，通過實施不同的化學組合，該工具可用于清潔，光刻膠去除，薄膜去除和金屬蝕刻。
縱觀全球半導體清洗設備市場，主要由迪恩士、東京電子和拉姆研究等日美韓企業(yè)瓜分，合計占據約95%的市場份額，行業(yè)高度集中。國內清洗設備龍頭盛美半導體市占率約2.3%，但未來有絕對潛力拓展發(fā)展空間。本土清洗設備市場國有化率約為20%，但是，今后幾年隨著國內芯片產業(yè)開始迎來井噴式爆發(fā)，國產清洗設備廠商將繼續(xù)昂頭挺進。盛美半導體、北方華創(chuàng)、芯源微、至純科技等是國內半導體清洗的先行者，其中盛美半導體更是殺進歐美國家壟斷的國際細分市場。
Gartner 預測，整體晶圓代工市場2019 年到 2023 年的復合年均成長率為 4.5%，市場營收可望于 2023 年達到 783 億美元。而2018年至2020年之間建設的新工廠和線路將需要 2200 億美元的晶圓廠設備。晶圓清洗作為半導體產業(yè)鏈中不可替代的一環(huán)，隨著工藝節(jié)點的升級以及良率要求提高，清洗設備用量需求將持續(xù)增加，有著穩(wěn)定而增長的市場空間，預計2020 年就將達到 35-40 億美元。
集成電路是半導體產業(yè)的核心構成。據WSTS 統計，2019 年集成電路銷售額達 3,304 億美元，占全球半導體產業(yè)銷售額的 80.77%，是當之無愧的半導體支柱型產品。
前道晶圓生產流程所需設備
半導體中，手機芯片占據最大需求。在美國霸道制裁下，中芯國際撲向國產替代部件，華為、聯發(fā)科入局芯片設計與制造。北方華創(chuàng)、中微公司、盛美股份、華峰測控、上海微電子在芯片材料、設計到生產制備的各大核心環(huán)節(jié)上均實現從0到1的突破，逐個占山為王，合縱突破美帝圍剿。在外部壓力刺激下，半導體設備受到國內政策、產業(yè)、資金全方位的支持，國產替代有序推進。隨著全球晶圓產能向大陸轉移，大陸半導體設備市場將繼續(xù)維持高位增長，半導體清洗公司將大大受益。
而未來，新一代的碳基電子及其信息器件具有更優(yōu)異的性能，在包括數字電路、射頻/模擬電路、傳感器件、光電器件等所有半導體應用領域都具備革命性的應用前景。中國有望主導芯片技術的‘直道’超車。
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