随着半导体技术的不断发展，对工艺技术的要求越来越高，特别是对晶圆片的表面质量要求越来越严。(四川半导体设备公司)

将硅片转变成半导体芯片需要一至两个月的时间，涉及从扩散、光刻、蚀刻、抛光、沉积和离子注入400-1000道大大小小工序，但是它们步骤之间有一个重复进行的清洗过程，大概占据总工序的30％。人类经常洗澡，以防止有害病菌和细菌的感染。同样，纳米级的半导体需要反复清洗才能制造出完美的芯片。

丨污染物对硅晶圆的影响

随着特征尺寸的不断缩小，半导体对杂质含量越来越敏感，制造和封装中不可避免会引入污染物。对于微观尺度的半导体工艺，晶片表面上的任何颗粒、金属碎片、有机物、自然形成的氧化层和痕量杂质都会导致图案缺陷和电性能的恶化。而小颗粒可能难以去除，因为颗粒和晶片衬底之间存在强静电力。这些问题会损害半导体产量和可靠性。在目前的集成电路生产中，由于晶圆片表面沾污问题，导致50% 以上的材料被损耗掉和80%的芯片电学失效。（四川半导体微组装清洗设备：清洗机）

• 颗粒：主要是一些聚合物、光致抗蚀剂和蚀刻杂质等。

• 有机物：有机物杂质在IC制程中以多种形式存在，如人的皮肤油脂、净化室空气、机械油、硅树脂真空脂、光致抗蚀剂、清洗溶剂等。

• 金属污染物：光刻、蚀刻、蒸发、溅射、化学汽相沉积（CVD）、化学机械平坦化处理（CMP）、金属互连制程是潜在的污染过程，也产生各种金属污染。

• 原生氧化物及化学氧化物：硅原子非常容易在含氧气及水的环境下氧化形成氧化层，称为原生氧化层。硅晶圆经过SC-1和SC-2溶液清洗后，表面生成的化学氧化层。另外，化学汽相沉积法（CVD）沉积的氮化硅、二氧化硅等氧化物。

清洗是通过化学处理、气体或物理方法去除晶片表面杂质的过程。通常在工艺之间进行，用于去除芯片制造中上一道工序所遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、 有机物残留物，去除光阻掩膜或残留，也可根据需要进行硅氧化膜、氮化硅或金属等薄膜材料的湿法腐蚀，为下一步工序准备好良好的表面条件。清洁是重复进行的，使其进行的次数大约是其他过程的两倍甚或更多，并作为过程之间的桥梁。（四川半导体自动化）

晶圆清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤30%以上，而且随着节点的推进，清洗工序的数量和重要性会继续提升，清洗设备的需求量也将相应增加。在80~60nm的工艺制程中，清洗工艺约有100个步骤，而当工艺节点来到20nm以下时，清洗步骤增加至200道以上。而越往下走，要得到较高的良率，几乎每步工序都离不开清洗。据盛美公司估计，每月十万片的DRAM工厂，1%的良率提升可为客户每年提高利润3000-5000 万美元。

丨湿法清洗路线

湿法清洗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——氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。湿法清洗主要包括RCA清洗法、超声波清洗等，效率高、成本较低，但由于化学试剂使用多，会造成交叉化学污染、图形损伤。清洗溶液通常在湿式工作台内使用超高纯度半导体级试剂和超纯水(UPW)进行预混合或原位混合。

丨RCA 清洁(SC1 和 SC2) 

RCA 清洗工艺最初由 RCA Corporation 开发，是一种去除硅片上有机残留物的清洗方法。RCA清洗依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，通过喷洒、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物和金属离子来清净晶片表面，而不破坏晶片表面特性。每次使用化学品后，用超纯水(UPW)彻底冲洗。

RCA 清洁过程可以分两个步骤进行，称为 SC1 和 SC2。SC1使用 RCA 清洁方法的 APM 溶液（氢氧化氨-过氧化氢水混合物）去除有机物和颗粒。这种处理在晶片表面形成一层薄薄的二氧化硅层，其中一些金属污染物将在后续步骤中被去除。SC2 清洁方法使用的溶液通常由 6 份去离子水、1 份盐酸和 1 份过氧化氢或 HPM（盐酸/过氧化物混合物）组成。该步骤有效地去除残留的痕量金属（离子）污染物，其中一些是在 SC1 清洁步骤中引入的。此外，它会在晶圆表面留下一层薄薄的钝化层，以保护其免受后续污染。这两个步骤为硅晶片进一步加工准备了铺垫。

丨超声波与兆声波

超声波是一种机械波，利用"空化效应”——(28～40khz)的高频振动传给清洗介质后去除表面污染物，清洗质量高、速度快，时间短，但会硅片表面质量产生一定影响。兆声波清洗是由超声波清洗发展而来的，是利用换能器发出兆赫级高能声波（振动产生 0. 8 MHz ）, 溶液分子在这种声波的推动下作加速运动以强声压梯度及声流作用产生的高速流体力学层连续冲击，使吸附的微细颗粒解吸的清洗技术。兆声波清洗不但继承了超声波清洗的优点，而且克服了它的缺陷。在粘滞层厚度、功率密度、共振效应、衍射效应方面比超声波清洗技术更有优势。

                                                               喷淋式兆声清洗示意图 图源:东方金荣

由于超声波清洗难以清除半导体晶圆表面小于 1 μm 以下的微粒，而兆声波清洗对表面损伤较小，可以有效去掉晶片表面上小于0.2μm的粒子，可达到超声波起不到的作用；同时，兆声波清洗技术频率太高，在溶液中很难发生空化效应，清洗时不会形成超声波清洗那样的气泡，当高频声波能量加速溶液连续冲击硅片表面时，使晶片表面吸附的颗粒等污染物便会随溶液而剥离。对于晶圆片高效能高精密的要求准来讲，兆声波清洗技术同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用。

丨批量清洗与单硅片清洗

湿法清洗按数量批次又分两种，第一种叫槽式批量清洗，就是把硅片浸没在化学溶剂或者超纯水的方式，一般一批处理20-50片硅片，槽式清洗具备良好的设备稳定性、高处理性能和批量生产的高生产率，可以清除金属、材料及微粒子。槽式清洗的批量生产效果好，但交叉污染风险较大。（四川半导体微组装设备厂家）

在切割成单个芯片之前，大多数步骤都是在整个晶圆上作为单个清洗工艺来完成，就出现了叫单硅片清洗，这是把液体或者气体射击在旋转的一张硅片上去除各种杂质，一次就处理一张硅片，可以减少材料损伤，防止晶片结构损伤，清除交叉污染 ，改善晶圆可靠性，但是设备产能较低，成本较大。

                                                                 28nm以下全自动槽式清洗机 图源：北方华创

                                                                                                                                                                       12英寸单片清洗机  图源：至纯科技

                                                                  晶圆级封装单片清洗机 图源：芯源

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、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。在90-65nm工艺中，为节约成本、提高效率，通常以槽式设备清洗为主；而在更低线宽nm级工艺中，对杂质的容忍度较低，工艺越先进，单片清洗技术的占比往往越高。因此先进制程中，单片清洗逐渐取代槽式批量清洗，并且占据最高的市场份额。

                                                               自动化单晶片清洗站的基本原理 图源：mks

洗刷机也是采取旋转喷淋的方式，但配合机械擦拭，有高压和软喷雾等多种可调节模式，用于适合以去离子水清洗的工艺中，包括锯晶圆、晶圆磨薄、晶圆抛光、研磨、CVD等环节中，尤其是在晶圆抛光后清洗中占有重要地位。（四川半导体设备：切片机）

                                                                                                                                                   等离子清洗 图源：Bdtronic

                                                                                                                                        MEMS传感器及部显微放大 图源：普乐斯

干法清洗不使用化学溶剂，可有选择性进行局部处理。有清洗环境友好、低磨损等优点，但受限于成本高、控制精度要求等，目前无法大量应用于全部产线，在少量特定步骤会采用干法清洗。干式与湿法相比，投资费用高，设备操作复杂，清洗方式苛刻，但清除表面的PR或者氧化膜效果显著。干洗不能完全代替湿法清洗。工艺中通常采用干法和湿法清洗相结合的方式。

丨无公害清洗方式

虽然清洗会助力硅晶圆最好的表面质量，但半导体晶圆的制造和清洁过程中会释放出一些对人体有害和对环境不利的化学物质。此类危险化学品包括三氧化二锑 (SbO3)、五氟化砷 (AsF5)、砷 (As)、三氟化硼 (BF3)、氯 (Cl)、锗烷 (GeH4)、硫化氢 (H2S) 和氧化碳等。这些化学物质危害人类和环境健康，并可能妨碍动植物的生命。

在双碳目标以及欧美各地更加苛刻的环保法规下，芯片制程中更为先进的清洗技术转向环保清洗正成为一种趋势。这类清洗方案有：激光去除雾气残留；干冰去除颗粒杂质和有机物残留；等离子去除有机、金属残留物，天然氧化物；蒸汽清洗，通过蒸发清洗剂产生的蒸汽分离污染物。极紫外光或臭氧清洁来剥离晶圆污染物，这些清洗技术无废水废液排放，属于环保型。

丨全球半导体晶圆清洗设备市场

据VERIFIED MARKET RESEARCH最新数据，2021年半导体晶圆清洗设备市场规模为64.2亿美元，预计到2030年将达到140.9亿美元，从2022年到2030年的复合年增长率为9.13%。

                                                                 图源：verifiedmarketresearch

根据产品，全球半导体晶圆清洗设备市场已细分为批量浸泡清洗系统、单晶圆喷涂系统、单晶圆低温系统等。批量浸入式清洗系统占最大的市场份额，预计在预测期内将以9.66%的最高复合年增长率增长。

根据晶圆尺寸，市场分为300毫米、200毫米和125毫米及其他。300mm占2020年最大的市场份额，预计在预测期内将以10.46%的最高复合年增长率增长。

                                                                                                                                                                          图源：verifiedmarketresearch

按照清洗技术细分基于湿化学的清洁技术占据了最大的市场份额，预计在预测期内将以9.22%的最高复合年增长率增长。基于湿化学的清洗技术是最流行的清洗技术。

根据区域分析，全球半导体晶圆清洗设备市场分为北美、欧洲、亚太地区和世界其他地区。亚太地区占最大的市场份额，预计在预测期内将以10.60%的复合年增长率增长。

全球半导体晶圆清洗设备市场主要参与者为Applied Materials, Inc.、Tokyo Electron Limited、Lam Research Corporation、Screen Holdings Co., Ltd.、KLA Tencor Corp ，SEMES以及ACM Research。

丨打破垄断格局，清洗成突破口

全球半导体清洗设备高度集中于日本企业。根据2020年的Gartner数据，全球半导体清洗设备行业的龙头企业主要DNS 、TEL、LAM与SEMES，这四家公司合计市场占有率达到90%以上。其中DNS市场份额最高，市场占有率在40%以上。

                                                                        图源：SEMES

本土清洗设备市场国有化率约为20%以上，主要包括盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技。他们在12英寸晶圆厂清洗设备均有所作为。其中，盛美半导体主要产品为集成电路领域的单片清洗设备，通过改良的超声波与兆声清洗技术，做到了国内半导体清洗市场的龙头；北方华创收购美国半导体设备生产商Akrion Systems LLC后，主要产品为单片及槽式清洗设备；芯源微产品主要应用于集成电路制造领域的单片式刷洗领域；至纯科技具备生产8-12英寸高阶单晶圆湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术。东方金荣各种兆声清洗装置已投入市场；华林科纳建成了槽式和单片式的湿法清洗系统线；另外，捷佳伟创、飞鹿股份、国林科技、西陇科学、大族激光等一众企业在半导体清洗的新研发、新技术和新装备上各有突破。

清洗路线并非光刻、刻蚀、沉积等具有高技术壁垒的工艺，且国内正从基础研发、规模和产品竞争力上全力追赶国外主流企业，是加速国产替代的重要突破单元，虽然国内半导体设备厂商占有率还较低，但今后几年拓展发展空间巨大。

目前本土庞大的芯片投资和发展计划推动了晶圆厂的扩产，势必也会拉动对国内清洗设备的需求，有媒体乐观预测预计到2025年清洗设备有望实现50%国产化率。

中国半导体清洗设备市场迎来弯道超车的发展机遇！

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