在晶片製造過程中，“清洗”步驟雖然不起眼，但它佔整個製造工序步驟30%以上，不可輕忽。那麼國產的半導體清洗裝置發展情況如何？
本文是“果殼硬科技”策劃的“國產替代”系列第七篇文章，關注半導體清洗裝置國產替代。在本文中，你將瞭解到：為什麼要在晶片生產過程中使用清洗技術，清洗裝置有什麼關鍵技術點，國內外清洗裝置市場情況。
付斌丨作者
李拓丨編輯
果殼硬科技丨策劃
遇事不決洗一洗
半導體中的清洗技術是指在氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發等半導體制造工序前，採用物理或化學方法，清除汙染物和自身氧化物的過程。
為什麼清洗能夠佔據30%以上的半導體制造工序步驟？這是因為晶片生產有著嚴重的“潔癖”，在工藝以奈米度量的時代，見不得任何髒東西。
汙染物是半導體器件效能、可靠性和成品率一大威脅。研究表明，沾汙帶來的缺陷引起的晶片電學失效，比例高達80%［1］。假若在晶圓製造環節中有汙染物未能完全清除，輕則影響晶圓良率，重則導致一整片乃至成批晶圓報廢。要知道，1%的良率變化對於一個先進邏輯代工廠意味著是1。5億美元的利潤損失。［2］
汙染物通常以原子、離子、分子、粒子或膜的形式，透過化學或物理吸附方式存在於矽片表面或矽片自身氧化膜中。
半導體制造過程中主要汙染物及影響，製表丨果殼硬科技
有髒東西洗一洗就好了。從沙礫到晶片，“點石成芯”會主要經歷矽片製造、晶圓製造、晶片封裝和晶片測試幾大流程，清洗則貫穿了晶片製造的全產業鏈，也是重複次數最多的工序，這些工序包括三類：
在矽片製造過程：清洗拋光後的矽片，保證表面平整度和效能，提高後續工藝的良品率；
在晶圓製造過程：在光刻、刻蝕、沉積、離子注入、去膠等關鍵工序前後清洗，減小缺陷率；
在晶片封裝過程：根據封裝工藝進行TSV清洗、UBM/RDL清洗、鍵合清洗等。
清洗步驟貫穿晶片製造流程中的多個工藝環節，圖源丨東吳證券
晶片發展有多久，清洗技術就有多久，早在上世紀50年代半導體制造界就開始注重清洗技術，並且它的重要程度會越來越高，市場需求也會越來越大。
伴隨製程工藝進步，光刻和各種工藝數量激增，清洗步驟數量也隨之增加。據SEMI統計資料，在80nm~60nm製程中清洗工藝共有約100個步驟，而到了20nm~10nm 製程中清洗工藝增加到200個步驟以上。［3］
隨著製程的推進所需要的清洗步數（單位：次），圖源丨SEMI
當然，清洗技術也並非百利無一害：一方面，部分清洗技術和化學溶劑還是會對電子元件表面造成損傷或與之發生反應，廠商需要在產能與清洗技術之間進行平衡，以保證電子元件的質量［4］；另一方面，清洗既耗水又大量排放汙染，水是沖洗過程需要的重要介質，清洗過程中會排放大量酸鹼清洗液，清洗後也會生成大量揮發廢氣，雖然耗水和排放問題是整個晶片製造都要面對的問題，但清洗環節中對於水的使用和控制排汙也是裝置製造商必須考慮的問題。［5］
分為乾洗和溼洗
我們不可望文生義，以為清洗難度不高。實際上，清洗並非簡單地在水裡走幾圈，而是實實在在的一套工藝，屬於先進製造裝置範疇，其中涉及許多物理和化學課題。
根據清洗介質的不同，半導體清洗分為溼法清洗和幹法清洗。
溼法清洗：指採用去離子水和化學溶劑，輔以超聲波、加熱、真空等物理方法，對晶圓表面進行清洗，隨後加以溼潤再幹燥，以去除晶圓製造過程中的汙染物。溼法清洗過程化學藥液基本相同，不同工藝主要差別在於輔助方法，也是溼法清洗工藝的主要難點。
常見的清洗化學溶劑，資料來源丨《中國高新技術企業》［6］
幹法清洗：指不使用化學溶劑的清洗技術，雖然它可清洗汙染物比較單一，但在28nm及更先進技術節點的邏輯產品和儲存產品中至關重要。
雖然清洗步驟中90%使用的都是溼法清洗技術，但在半導體制造中，幹法和溼法在短期無法互相替代，並在各自領域向更先進方向發展。
清洗的主要清洗方法及優缺點，資料來源丨盛美招股書
不同清洗方式，需要藉助相應的清洗裝置。
溼法清洗工藝路線下分為槽式清洗裝置、單片清洗裝置、組合式清洗裝置等。槽式清洗裝置門檻低、產能高、控制性好，在製程工藝推進到100nm後，傳統槽式清洗裝置很難滿足高精度製程工藝的工藝需求。單片清洗裝置應用更廣、清洗能力和效率更高、可改善單晶圓與不同晶圓均勻性、不存在交叉汙染風險，但實現技術難度大，國外大廠都要從基礎物理研究，如在幾十奈米寬度溝槽中，液體分子的運動狀態和帶走顆粒物的可能性，乾燥時液體表面張力對圖形的損傷風險。另外，單片和槽式清洗還可組合出現。［7］
幹法清洗工藝路線下主要擁有等離子體清洗裝置、蒸汽態清洗裝置、低溫噴霧清洗裝置、超臨界清洗裝置。幹法清洗裝置的清洗強度和清洗效率不如溼法清洗裝置，但它清洗殘留少、不存在液體表面張力、較為安全環保，同時由於氣體清洗劑顆粒較小，容易清洗深寬比較大的結構，在先進工藝中能發揮巨大作用。
溼法清洗和幹法清洗裝置種類及特點，製表丨果殼硬科技
參考資料丨《積體電路產業全書》、盛美招股書
國內玩家的窘境
半導體制造裝置有十一類，具體包括光刻機、過程檢測裝置、刻蝕裝置、薄膜沉積裝置、離子注入裝置、CMP裝置、清洗裝置、氧化退火裝置、其它晶圓製造裝置九類前道工藝裝置，測試裝置和封裝裝置兩類後道工藝裝置。這其中，清洗裝置必不可缺。
在製造半導體整體裝置中，清洗裝置的價值比其它製造裝置低，約為5%~6%。但它會參與到晶片製造的各個環節，是其它賽道的敲門磚，也是晶片製造繞不開的環節。
在晶片缺乏和晶片潮雙重影響下，清洗裝置市場規模將持續增加。據Marketwatch預計，2022年全球半導體清洗裝置規模將達到55。91億美元，至2028年達77。94億美元，年複合增長率5。7%。［8］
與光刻機類似，清洗裝置單臺售價高、毛利率較高。以盛美為例，其單片清洗裝置單價超過2500萬元，毛利率約45%。［3］
從國際和國內清洗裝置現狀來看，馬太效應顯著。與光刻機類似，國產清洗裝置的國產化率也不是非常高，但比其它種類半導體裝置情況要樂觀許多。資料顯示，清洗裝置的國產化率從2015年的15%提升到了2020年的20%，反觀光刻機的國產化率一直小於1%，同時所有種類國產裝置的總和僅佔全球半導體供應鏈的5%。［9］
國內半導體裝置國產化率及主要企業，圖源丨國海證券
全球半導體清洗裝置市場呈現高度集中的態勢。據Gartner資料，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、SEMES與LAM（泛林半導體）分別佔據2020年全球半導體清洗裝置市場份額的45。1%、25。3%、14。8%和12。5%。［10］
國內能提供半導體清洗裝置的企業非常少，主要包括盛美半導體、北方華創、芯源微及至純科技四家公司。國內的短板主要在於先進溼法清洗裝置，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、LAM（泛林半導體）與SEMES四家公司就包攬了單片清洗裝置市佔率的90%。
半導體清洗裝置國內外情況，製表丨果殼硬科技
目前四家國產企業均已具備130nm~28nm主流製程清洗裝置技術，其中盛美半導體已在研7/5nm清洗裝置技術。
國內主要清洗企業產品和技術進度，製表丨果殼硬科技
國產清洗裝置的困難較大，導致賽道玩家極少，無外乎以下幾方面因素：
半導體最先進製程的研發的材料和晶圓廠商深度繫結，久而久之難免會集中度會愈加嚴重［11］；
市場客戶會優先選擇成熟裝置，減少磨合時間和機會成本，降低經營風險，後進者要證明自己很難，特別是晶片這種生產成本極高的產業；
除了清洗裝置本身存在很高的技術壁壘，國產化核心部件供應大部分需要進口，關鍵材料國產化也是一大心病；
半導體產業大部分工藝技術都存在專利，後發企業稍有不慎就會踏入侵權的射程；
半導體人才嚴重缺乏，上游裝置的領軍人才尤甚。［12］
半導體一直是技術壁壘高、智慧財產權錯雜的領域，長期市場運作下細分市場會呈現僅剩1~2家、至多3~4家企業的局面，居於寡頭的廠商會採取峰價措施與潛在競爭者間博弈，半導體清洗領域亦如此。［13］
除此之外，地緣政治摩擦也成為不穩定因素之一：2022年3月，美國證監會（SEC）將納斯達克與A股兩地上市的盛美半導體列入“預摘牌”名單。
但再艱難，也要有。在半導體產業上國內起步晚，是行業追趕者，從後發者角度來看，製造裝置是最基礎也是最重要的環節［14］。與國產光刻機同理，國產清洗裝置至關重要，專家認為，只有擁有強大且自主可控的半導體裝置和材料產業，在智慧財產權、能力水平、供應鏈三個方面共建實力，才能擺脫受制於人的被動局面。［15］
目前，國內產業雖在中低端清洗裝置上取得了一定發展和進步，但關鍵和材料上仍處於嚴重依賴進口的局面，供應鏈安全仍然是一大問題。同時，在高階清洗裝置領域的空白，還有待繼續填補。［12］
References：
［1］ 平安證券：半導體清洗裝置：築晶片良率保障牆，看國產品牌角逐差異化。2020。8。31。https：//pdf。dfcfw。com/pdf/H3_AP202008311404507199_1。pdf？1598990956000。pdf
［2］ 財經網：大基金投資半導體清洗領域！這家公司有望成細分龍頭？。2021。10。19。http：//m。caijing。com。cn/article/234139？target=blank
［3］ SEMI產業投資平臺：從盛美的崛起，看新時代中國半導體清洗裝置市場的發展機遇！。2021。11。4。https：//mp。weixin。qq。com/s/hmXkdYaMTeJCY2EpzBIPsw
［4］ 楊丹鳳。微電子工藝清洗技術的應用分析［J］。通訊世界，2017，（23）：331-332。
［5］ 生態環境部：《電子工業汙染物排放標準 半導體器件》。https：//www。mee。gov。cn/gkml/hbb/bgth/200910/W020080620446262906030。pdf
［6］ 舒福璋。半導體矽片清洗工藝的發展研究［J］。中國高新技術企業，2007，（12）：96+99。
［7］ 盛美半導體裝置（上海）有限公司：首次公開發行股票並在科創板上市招股說明書。2021。11。12。https：//pdf。dfcfw。com/pdf/H2_AN202111111528437549_1。pdf？1636657388000。pdf
［8］ Marketwatch：Semiconductor Wafer Cleaning Equipment Market Share， Size Global Future Prospects， Key Findings， Industry Demand， Regional Analysis， Key Players Profiles and Forecasts to 2028。2022。4。27。https：//www。marketwatch。com/press-release/semiconductor-wafer-cleaning-equipment-market-share-size-
［9］ SIA：STRENGTHENING THE GLOBAL SEMICONDUCTOR SUPPLY CHAIN IN AN UNCERTAIN ERA。2021。4。https：//www。semiconductors。org/wp-content/uploads/2021/05/BCG-x-SIA-Strengthening-the-Global-Semiconductor-Value-Chain-April-2021_1。pdf
［10］ 安信證券：晶片良率的重要保障，半導體清洗裝置國
產替代正當時。2021。11。17。https：//pdf。dfcfw。com/pdf/H3_AP202111181529678979_1。pdf？1637229715000。pdf
［11］ 國海證券：盛美上海（688082）深度報告：
半導體清洗裝置龍頭，平臺化戰略開啟新徵程。2022。4。27。https：//pdf。dfcfw。com/pdf/H3_AP202204281562130616_1。pdf？1651143487000。pdf
［12］ 馬磊。我國半導體清洗裝置國產化之關鍵部件市場研究［J］。現代化工，2019，39（04）：6-12+14。
［13］ 高鴻業。西方經濟學［M］。北京：中國人民大學出版出版社，2018：312。
［14］ 王陽元。創新鐫刻青史，探索孕育未來［J］。科技導報，2019，37（03）：1。
［15］ 孟凡生，韓冰。新形勢下我國國防科技工業自主可控發展研究［J］。科學管理研究，2016，34（02）：1-4。
