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半导体湿法设备行业发展现状及未来前景分析 湿法设备国内率先实现国产化

  • 发布时间: 2024-01-04


1、贯穿晶圆制造全过程的关键工艺
湿法设备是一种集合了流体力学、化学工程、材料科学、精密加工、电子控制、计算机软件 等多学科的高科技产品,是集成电路制造过程中使用比例最高的核心生产设备。湿法设备可分为槽式湿法设备与单片式湿法设备,随着集成电路线宽的不断缩小,对颗粒大小及数量、 刻蚀速率及均匀性、金属污染控制、表面粗糙度、圆片单面工艺等的要求越来越严格,单片 式湿法设备正越来越多地使用到集成电路的制造中来。公司生产的单片式湿法设备主要由清 洗机、去胶机和湿法刻蚀机构成。

(1)湿法清洗

根据清洗介质的不同,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,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。目前湿法清洗是主流的清洗技术路线,占芯 片制造清洗步骤数量的 90%以上。

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、组合式清洗设备等种类。单片式清洗采用旋转喷淋、二流体等方式,一次对一片晶圆进行清洗, 具有极高的工艺环境控制能力与微粒去除能力;而槽式清洗机采用溶液浸泡方式,产能较高, 但清洗效果不如单片式设备。单片式清洗机技术难度更大,但应用更广,可以满足更高的清 洗要求,占据更大的市场规模。芯源微当前的清洗设备产品主要以物理刷洗为主,同时公司 亦推出了二流体、兆声波等其他产品。
(2)湿法去胶

刻蚀以后的步骤之一是去除光刻胶,光刻胶用来作为从光刻掩膜版到硅片表面的图形转移媒 介以及被刻蚀区域或被离子注入区域的阻挡层。一旦刻蚀或被注入完成,光刻胶在硅片表面 就不再有用,必须完全去除。另外,刻蚀过程带来的任何残留物业必须去掉。

湿法去胶与清洗类似,湿法去胶分为有机去胶及非有机去胶。有机去胶主要通过液体拆散胶 层结构而达到去胶的目的。但其限制性较大,像常用的药液,有 DMF,ACT,EKC 等。非 有机去胶目前常用的是 H2SO4 与 H2O2 加热到 120-140C 左右,其强氧化性使胶中的 C 氧 化成 CO2,并生产 H2O。芯源微已经推出了单片式湿法去胶产品,主要用于先进封装工艺 过程中的晶圆去胶制程和金属剥离制程。

(3)湿法刻蚀

刻蚀是光刻之后的关键步骤,是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的刻蚀材 料,进而形成光刻定义的电路图形。 湿法刻蚀是用液体化学剂去除衬底表面的材料。早期普遍使用,在 3um 以后由于线宽控制、 刻蚀方向性的局限,主要用干法刻蚀。目前,湿法刻蚀仍用于特殊材料层的去除和残留物的 清洗。
2、湿法设备市场规模稳健增长,日韩巨头垄断
芯片制程的持续升级对清洗工艺提出了更高要求。随着半导体芯片工艺技术节点进入 28 纳 米、14 纳米等更先进等级,工艺流程的延长且越趋复杂,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。解 决的方法主要是增加清洗步骤。 据盛美统计,在 DRAM 产线上,每一代制程升级将带来平均 15%的清洗步骤增加,22/28 纳 米 DRAM 芯片在整个制造过程中需要甚至超过 200 道清洗步骤,晶圆清洗变得更加复杂、 重要及富有挑战性。

清洗用量的持续提升带来了清洗机市场规模的长期增长。根据台湾工研院数据,2020 年全 球半导体清洗设备市场规模为 49 亿美元,占半导体设备总体市场规模约 10%,并将保持稳 定增长,2025 年将达 67 亿美元,年均增速 6.8%。

竞争格局方面,当前全球清洗设备市场由日韩巨头垄断。业内龙头为日本 Dainippon Screen (即 DNS)、TEL,韩国 SEMES 和美国 Lam Research(泛林)。据 Gartner 数据,2018 年 前四大龙头厂商占据了 98%的市场份额。国内有北方华创、至纯科技、盛美半导体、芯源微 ,等厂商布局,份额较低。

3、湿法设备国内率先实现国产化
当前半导体设备国产化水平仍旧较低,而湿法设备率先实现了较高比例的国产替代。据半导 体行业协会数据,前段工序三大件光刻、薄膜、刻蚀中,光刻机尚未实现国产化,涂胶显影 设备、离子注入设备的国产化率亦不足 1%。而包括 CMP 在内的湿法设备走在了国产替代 的前列,国产化率已达 15-20%,关键性零部件日系占比还是最高。

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