晶圆清洗 | 芯片制造中最重要最频繁的工序

发布时间: 2020年11月06日 浏览次数:2612

中国是半导体最大的消费国,占全球芯片需求的45%,有90%以上的芯片需要进口,国内高速发展的智能手机、人工智能、物联网、云计算、大数据各个领域都对芯片有根本性的依赖。目前芯片是中国举国之力发展的行业,但最核心是要有独立自主生产能力的“中国芯“,就要取决于半导体生产设备的国产化工艺。

晶圆上的45纳米芯片图像

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。晶圆制造环节的清洗步骤最多,清洗设备运用也最多,光刻、刻蚀、沉积、 离子注入、CMP均需要经历清洗工艺。

前道晶圆生产过程的七大工序:

氧化/扩散-光刻-刻蚀-离子注入-薄膜沉积-CMP-金属化

 

晶圆片清洗质量的好坏对器件性能有严重的影响,其主要原因是圆片表面沾污造成的,这些沾污包括:超细微的颗粒、有机残留物、无机残留物和需要去除的氧化层;颗粒和金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率。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。

正是由于晶圆清洗是半导体制造工艺中最重要、最频繁的工序,而且随着尺寸缩小、结构复杂化,芯片对杂质含量的敏感度也相应提高,将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性,所以国内外各大公司、研究机构等对清洗工艺的研究一直在不断地增强。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。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。

半导体晶圆清洗工艺细分为RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、超声波清洗法、气相清洗法、等离子清洗法等,可归纳为湿法和干法两种,湿法清洗是目前主流技术路线,占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。

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,会造成化学交叉污染、图形损伤。

干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术。包括气相清洗法、等离子体清洗等,优点有清洗环境友好、低磨损等,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。

除去晶圆清洗,等离子清洗也常用于光刻胶的去除工艺中,在等离子体反应系统中通入少量的氧气,在强电场作用下,使氧气产生等离子体,迅速使光刻胶氧化成为可挥发性气体状态物质被抽走。这种清洗技术在去胶工艺中具有操作方便、效率高、表面干净、无划伤、有利于确保产品的质量等优点。

晶圆清洗技术随着工艺节点推进而发生变化。在工艺节点不断推进的前提下,为了降低颗粒物污染、提高良率,需要继续增加清洗步骤。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。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。

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。单片清洗技术是盛美半导体突破兆声波气泡内爆破坏理论,自主研制的颠覆性的TEBO无损伤单片清洗技术。单晶圆清洗可以减少材料损伤,孔洞的清洗能力,防止晶片结构损伤,清除交叉污染 ,改善晶圆可靠性;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、材料及微粒子的交叉污染 ,但是设备产能较低,污染风险较大。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。

ACM的薄晶圆清洗系统。采用TEBO(时序能激气穴震荡)兆声波清洗技术。在进行机械研磨/抛光以达到所需的厚度之后,ACM的处理系统将在随后的关键工艺中支持这些超薄、高翘曲的晶圆,包括使用湿法蚀刻来减薄硅以消除微裂纹。此外,通过实施不同的化学组合,该工具可用于清洁,光刻胶去除,薄膜去除和金属蚀刻。

纵观全球半导体清洗设备市场,主要由迪恩士、东京电子和拉姆研究等日美韩企业瓜分,合计占据约95%的市场份额,行业高度集中。国内清洗设备龙头盛美半导体市占率约2.3%,但未来有绝对潜力拓展发展空间。本土清洗设备市场国有化率约为20%,但是,今后几年随着国内芯片产业开始迎来井喷式爆发,国产清洗设备厂商将继续昂头挺进。盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技等是国内半导体清洗的先行者,其中盛美半导体更是杀进欧美国家垄断的国际细分市场。


晶圆生产设备国产化情况

Gartner 预测,整体晶圆代工市场2019 年到 2023 年的复合年均成长率为 4.5%,市场营收可望于 2023 年达到 783 亿美元。而2018年至2020年之间建设的新工厂和线路将需要 2200 亿美元的晶圆厂设备。晶圆清洗作为半导体产业链中不可替代的一环,随着工艺节点的升级以及良率要求提高,清洗设备用量需求将持续增加,有着稳定而增长的市场空间,预计2020 年就将达到 35-40 亿美元。

集成电路是半导体产业的核心构成。据WSTS 统计,2019 年集成电路销售额达 3,304 亿美元,占全球半导体产业销售额的 80.77%,是当之无愧的半导体支柱型产品。


半导体中,手机芯片占据最大需求。在美国霸道制裁下,中芯国际扑向国产替代部件,华为、联发科入局芯片设计与制造。北方华创、中微公司、盛美股份、华峰测控、上海微电子在芯片材料、设计到生产制备的各大核心环节上均实现从0到1的突破,逐个占山为王,合纵突破美帝围剿。在外部压力刺激下,半导体设备受到国内政策、产业、资金全方位的支持,国产替代有序推进。随着全球晶圆产能向大陆转移,大陆半导体设备市场将继续维持高位增长,半导体清洗公司将大大受益。

而未来,新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能,在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。中国有望主导芯片技术的‘直道’超车。

图表来源:驭势资本(公众号)

引用数据:驭势资本、CSC化合物半导体、金融投资报、市值风云、君临网(公众号)