在芯片制造過(guò)程中，“清洗”步驟雖然不起眼，但它占整個(gè)制造工序步驟30%以上，不可輕忽。那么國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體清洗設(shè)備發(fā)展情況如何？
本文是“果殼硬科技”策劃的“國(guó)產(chǎn)替代”系列第七篇文章，關(guān)注半導(dǎo)體清洗設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：為什么要在芯片生產(chǎn)過(guò)程中使用清洗技術(shù)，清洗設(shè)備有什么關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外清洗設(shè)備市場(chǎng)情況。
半導(dǎo)體中的清洗技術(shù)是指在氧化、光刻、外延、擴(kuò)散和引線蒸發(fā)等半導(dǎo)體制造工序前，采用物理或化學(xué)方法，清除污染物和自身氧化物的過(guò)程。為什么清洗能夠占據(jù)30%以上的半導(dǎo)體制造工序步驟？這是因?yàn)樾酒a(chǎn)有著嚴(yán)重的“潔癖”，在工藝以納米度量的時(shí)代，見(jiàn)不得任何臟東西。污染物是半導(dǎo)體器件性能、可靠性和成品率一大威脅。研究表明，沾污帶來(lái)的缺陷引起的芯片電學(xué)失效，比例高達(dá)80%[1]。假若在晶圓制造環(huán)節(jié)中有污染物未能完全清除，輕則影響晶圓良率，重則導(dǎo)致一整片乃至成批晶圓報(bào)廢。要知道，1%的良率變化對(duì)于一個(gè)先進(jìn)邏輯代工廠意味著是1.5億美元的利潤(rùn)損失。[2]污染物通常以原子、離子、分子、粒子或膜的形式，通過(guò)化學(xué)或物理吸附方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中。半導(dǎo)體制造過(guò)程中主要污染物及影響，制表丨果殼硬科技有臟東西洗一洗就好了。從沙礫到芯片，“點(diǎn)石成芯”會(huì)主要經(jīng)歷硅片制造、晶圓制造、芯片封裝和芯片測(cè)試幾大流程，清洗則貫穿了芯片制造的全產(chǎn)業(yè)鏈，也是重復(fù)次數(shù)最多的工序，這些工序包括三類：
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在硅片制造過(guò)程：清洗拋光后的硅片，保證表面平整度和性能，提高后續(xù)工藝的良品率；
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在晶圓制造過(guò)程：在光刻、刻蝕、沉積、離子注入、去膠等關(guān)鍵工序前后清洗，減小缺陷率；
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在芯片封裝過(guò)程：根據(jù)封裝工藝進(jìn)行TSV清洗、UBM/RDL清洗、鍵合清洗等。
清洗步驟貫穿芯片制造流程中的多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，圖源丨東吳證券芯片發(fā)展有多久，清洗技術(shù)就有多久，早在上世紀(jì)50年代半導(dǎo)體制造界就開(kāi)始注重清洗技術(shù)，并且它的重要程度會(huì)越來(lái)越高，市場(chǎng)需求也會(huì)越來(lái)越大。伴隨制程工藝進(jìn)步，光刻和各種工藝數(shù)量激增，清洗步驟數(shù)量也隨之增加。據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在80nm~60nm制程中清洗工藝共有約100個(gè)步驟，而到了20nm~10nm 制程中清洗工藝增加到200個(gè)步驟以上。[3]隨著制程的推進(jìn)所需要的清洗步數(shù)（單位：次），圖源丨SEMI當(dāng)然，清洗技術(shù)也并非百利無(wú)一害：一方面，部分清洗技術(shù)和化學(xué)溶劑還是會(huì)對(duì)電子元件表面造成損傷或與之發(fā)生反應(yīng)，廠商需要在產(chǎn)能與清洗技術(shù)之間進(jìn)行平衡，以保證電子元件的質(zhì)量[4]；另一方面，清洗既耗水又大量排放污染，水是沖洗過(guò)程需要的重要介質(zhì)，清洗過(guò)程中會(huì)排放大量酸堿清洗液，清洗后也會(huì)生成大量揮發(fā)廢氣，雖然耗水和排放問(wèn)題是整個(gè)芯片制造都要面對(duì)的問(wèn)題，但清洗環(huán)節(jié)中對(duì)于水的使用和控制排污也是設(shè)備制造商必須考慮的問(wèn)題。
我們不可望文生義，以為清洗難度不高。實(shí)際上，清洗并非簡(jiǎn)單地在水里走幾圈，而是實(shí)實(shí)在在的一套工藝，屬于先進(jìn)制造設(shè)備范疇，其中涉及許多物理和化學(xué)課題。根據(jù)清洗介質(zhì)的不同，半導(dǎo)體清洗分為濕法清洗和干法清洗。
常見(jiàn)的清洗化學(xué)溶劑，資料來(lái)源丨《中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)》[6]
雖然清洗步驟中90%使用的都是濕法清洗技術(shù)，但在半導(dǎo)體制造中，干法和濕法在短期無(wú)法互相替代，并在各自領(lǐng)域向更先進(jìn)方向發(fā)展。清洗的主要清洗方法及優(yōu)缺點(diǎn)，資料來(lái)源丨盛美招股書(shū)不同清洗方式，需要借助相應(yīng)的清洗設(shè)備。濕法清洗工藝路線下分為槽式清洗設(shè)備、單片清洗設(shè)備、組合式清洗設(shè)備等。槽式清洗設(shè)備門(mén)檻低、產(chǎn)能高、控制性好，在制程工藝推進(jìn)到100nm后，傳統(tǒng)槽式清洗設(shè)備很難滿足高精度制程工藝的工藝需求。單片清洗設(shè)備應(yīng)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、不存在交叉污染風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大，國(guó)外大廠都要從基礎(chǔ)物理研究，如在幾十納米寬度溝槽中，液體分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和帶走顆粒物的可能性，干燥時(shí)液體表面張力對(duì)圖形的損傷風(fēng)險(xiǎn)。另外，單片和槽式清洗還可組合出現(xiàn)。[7]干法清洗工藝路線下主要擁有等離子體清洗設(shè)備、蒸汽態(tài)清洗設(shè)備、低溫噴霧清洗設(shè)備、超臨界清洗設(shè)備。干法清洗設(shè)備的清洗強(qiáng)度和清洗效率不如濕法清洗設(shè)備，但它清洗殘留少、不存在液體表面張力、較為安全環(huán)保，同時(shí)由于氣體清洗劑顆粒較小，容易清洗深寬比較大的結(jié)構(gòu)，在先進(jìn)工藝中能發(fā)揮巨大作用。濕法清洗和干法清洗設(shè)備種類及特點(diǎn)，制表丨果殼硬科技參考資料丨《集成電路產(chǎn)業(yè)全書(shū)》、盛美招股書(shū)半導(dǎo)體制造設(shè)備有十一類，具體包括光刻機(jī)、過(guò)程檢測(cè)設(shè)備、刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備、離子注入設(shè)備、CMP設(shè)備、清洗設(shè)備、氧化退火設(shè)備、其它晶圓制造設(shè)備九類前道工藝設(shè)備，測(cè)試設(shè)備和封裝設(shè)備兩類后道工藝設(shè)備。這其中，清洗設(shè)備必不可缺。在制造半導(dǎo)體整體設(shè)備中，清洗設(shè)備的價(jià)值比其它制造設(shè)備低，約為5%~6%。但它會(huì)參與到芯片制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，是其它賽道的敲門(mén)磚，也是芯片制造繞不開(kāi)的環(huán)節(jié)。在芯片缺乏和芯片潮雙重影響下，清洗設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增加。據(jù)Marketwatch預(yù)計(jì)，2022年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備規(guī)模將達(dá)到55.91億美元（折合人民幣約400億），至2028年達(dá)77.94億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率5.7%。[8]與光刻機(jī)類似，清洗設(shè)備單臺(tái)售價(jià)高、毛利率較高。以盛美為例，其單片清洗設(shè)備單價(jià)超過(guò)2500萬(wàn)元，毛利率約45%。[3]從國(guó)際和國(guó)內(nèi)清洗設(shè)備現(xiàn)狀來(lái)看，馬太效應(yīng)顯著。與光刻機(jī)類似，國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率也不是非常高，但比其它種類半導(dǎo)體設(shè)備情況要樂(lè)觀許多。數(shù)據(jù)顯示，清洗設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率從2015年的15%提升到了2020年的20%，反觀光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率一直小于1%，同時(shí)所有種類國(guó)產(chǎn)設(shè)備的總和僅占全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的5%。[9]
國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率及主要企業(yè)，圖源丨國(guó)海證券全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)高度集中的態(tài)勢(shì)。據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、SEMES與LAM（泛林半導(dǎo)體）分別占據(jù)2020年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)份額的45.1%、25.3%、14.8%和12.5%。[10]國(guó)內(nèi)能提供半導(dǎo)體清洗設(shè)備的企業(yè)非常少，主要包括盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、芯源微及至純科技四家公司。國(guó)內(nèi)的短板主要在于先進(jìn)濕法清洗設(shè)備，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、LAM（泛林半導(dǎo)體）與SEMES四家公司就包攬了單片清洗設(shè)備市占率的90%。
半導(dǎo)體清洗設(shè)備國(guó)內(nèi)外情況，制表丨果殼硬科技目前四家國(guó)產(chǎn)企業(yè)均已具備130nm~28nm主流制程清洗設(shè)備技術(shù)，其中盛美半導(dǎo)體已在研7/5nm清洗設(shè)備技術(shù)。
國(guó)內(nèi)主要清洗企業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)度，制表丨果殼硬科技國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備的困難較大，導(dǎo)致賽道玩家極少，無(wú)外乎以下幾方面因素：
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半導(dǎo)體最先進(jìn)制程的研發(fā)的材料和晶圓廠商深度綁定，久而久之難免會(huì)集中度會(huì)愈加嚴(yán)重[11]；
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市場(chǎng)客戶會(huì)優(yōu)先選擇成熟設(shè)備，減少磨合時(shí)間和機(jī)會(huì)成本，降低經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，后進(jìn)者要證明自己很難，特別是芯片這種生產(chǎn)成本極高的產(chǎn)業(yè)；
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除了清洗設(shè)備本身存在很高的技術(shù)壁壘，國(guó)產(chǎn)化核心部件供應(yīng)大部分需要進(jìn)口，關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化也是一大心病；
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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大部分工藝技術(shù)都存在專利，后發(fā)企業(yè)稍有不慎就會(huì)踏入侵權(quán)的射程；
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半導(dǎo)體人才嚴(yán)重缺乏，上游設(shè)備的領(lǐng)軍人才尤甚。[12]
半導(dǎo)體一直是技術(shù)壁壘高、知識(shí)產(chǎn)權(quán)錯(cuò)雜的領(lǐng)域，長(zhǎng)期市場(chǎng)運(yùn)作下細(xì)分市場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)僅剩1~2家、至多3~4家企業(yè)的局面，居于寡頭的廠商會(huì)采取峰價(jià)措施與潛在競(jìng)爭(zhēng)者間博弈，半導(dǎo)體清洗領(lǐng)域亦如此。[13]除此之外，地緣政治摩擦也成為不穩(wěn)定因素之一：2022年3月，美國(guó)證監(jiān)會(huì)（SEC）將納斯達(dá)克與A股兩地上市的盛美半導(dǎo)體列入“預(yù)摘牌”名單。但再艱難，也要有。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上國(guó)內(nèi)起步晚，是行業(yè)追趕者，從后發(fā)者角度來(lái)看，制造設(shè)備是最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)[14]。與國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)同理，國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備至關(guān)重要，專家認(rèn)為，只有擁有強(qiáng)大且自主可控的半導(dǎo)體設(shè)備和材料產(chǎn)業(yè)，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能力水平、供應(yīng)鏈三個(gè)方面共建實(shí)力，才能擺脫受制于人的被動(dòng)局面。[15]目前，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)雖在中低端清洗設(shè)備上取得了一定發(fā)展和進(jìn)步，但關(guān)鍵和材料上仍處于嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面，供應(yīng)鏈安全仍然是一大問(wèn)題。同時(shí)，在高端清洗設(shè)備領(lǐng)域的空白，還有待繼續(xù)填補(bǔ)。
