鮮為人知的半導體清洗設備

　　當我們談論芯片產業時，首先想到的就是光刻、刻蝕、沉積、離子注入、化學機械拋光（CMP）等工藝，在過去的一段時間內，《每日財報》基本對這些環節實現了覆蓋。

　　今天要講的是一個看起來不起眼但同樣重要的環節——清洗。半導體清洗主要是為了去除芯片生產中產生的各種沾污雜質，是芯片制造中步驟最多的工藝，幾乎貫穿整個作業流程。由于硅片的加工過程對潔凈度要求非常高，所有與硅片接觸的媒介都可能對硅片造成污染，硅片清洗的好壞對器件性能有嚴重的影響，因此幾乎每一步加工都需要清除沾污。

　　在很多人看來，芯片生產中所用的清洗設備似乎并沒有什么技術門檻，也就沒有那么大的價值，但事實卻并非如此，芯片制造是一個極其復雜和精致的產業，任何一環出現問題都會前功盡棄。

　　在半導體設備市場中，晶圓制造設備采購大約占整體的80%，測試設備大約占9%，封裝設備大約占7%，其他設備大約占4%，同時清洗設備在晶圓制造設備中的采購費用占比約為6%，因此可以推算出清洗設備約占半導體設備投資的4.8%。

　　芯片良率的“保鏢”

　　芯片制造需要在無塵室中進行，如果在制造過程中，有沾污現象，將影響芯片上器件的正常功能。據估計，80%的芯片電學失效都是由沾污帶來的缺陷引起的。沾污雜質是指半導體制造過程中引入的任何危害芯片成品率及電學性能的物質，具體的沾污包括顆粒、有機物、金屬和自然氧化層等。

　　一般來說，工藝越精細對于控污的要求越高，而且難度越大，隨著半導體芯片工藝技術節點進入28納米、14納米等更先進等級，工藝流程的延長且越趨復雜，產線成品率也會隨之下降。造成這種現象的一個原因就是先進制程對雜質的敏感度更高，小尺寸污染物的高效清洗更困難，解決的方法主要是增加清洗步驟。在80-60nm制程中，清洗工藝大約100多個步驟，而到了10nm制程，增至200多個清洗步驟。

　　根據清洗介質不同，半導體清洗技術主要分為濕法清洗和干法清洗兩種工藝路線。濕法工藝是使用各種化學藥液與晶圓表面各種雜質粒子發生化學反應，生成溶于水的物質，再用高純水沖洗，依次去除晶圓表面各種雜質。干法工藝是不采用溶液的清洗技術，通過等離子清洗技術、汽相清洗技術或束流清洗技術來去除晶圓表面的雜質。

　　濕法工藝在達到晶圓表面的潔凈度和平滑度方面通常優于干法工藝，并且是目前單晶圓清洗使用的標準工藝，應用于晶圓制造過程中90%以上的清洗步驟。

　　清洗設備主要可以分為單片清洗設備和槽式清洗機，槽式清洗機用于批量處理晶圓，單片清洗設備可以針對單個晶圓的清洗進行條件優化。

　　需要注意的是，單片清洗設備是目前市場的絕對主流。在過去的十年間，尋求提升清洗質量的晶圓制造商逐漸從批量清洗設備轉向單片清洗設備。2019年，單片清洗設備的占比達到75%，而且隨著集成電路特征尺寸的進一步縮小。單片清洗設備的運用更加廣泛，未來占比有望逐步提高。

　　比如說，當工藝尺寸達到14nm之后，存儲技術將會達到尺寸縮小的極限，存儲芯片逐步從二維（2D）結構向三維（3D）結構推進。

　　例如在3D NAND（計算機閃存設備）制造工藝中，需將原來2D NAND中二維平面橫向排列的串聯存儲單元改為垂直排列，通過增加立體層數，解決平面上難以微縮的工藝問題，堆疊層數也從32層、64 層向128層發展。

　　存儲技術從2D向3D轉變，清洗晶圓表面的基礎上，還需在無損情況下清洗內部污染物，對清洗設備提出了更高的技術要求，清洗設備單臺價值量不斷提升，根據SEMI的預測，清洗設備市場未來幾年復合增長率為6.8%。

　　本土三強漸入佳境

　　全球清洗設備市場規模超30億美元，大陸市場約7億美元，但與芯片產業的其他工藝類似，目前全球半導體清洗設備市場同樣被國外公司壟斷。數據顯示，全球的清洗設備市場基本由國外的幾家巨頭把控，特別是日本企業。其中迪恩士、東京電子、拉姆研究是全球半導體清洗設備龍頭，2019年CR3接近90%。迪恩士（DNS）是絕對龍頭，全球份額達50%，國內公司中，盛美股份、北方華創(行情002371,診股)2019年全球份額分別為3%、1%。

　　國內從事半導體清洗設備的公司主要有盛美半導體、北方華創、至純科技(行情603690,診股)等。客觀的評價，國內企業規模和產品競爭力與國際知名企業仍然存在較大差距。比如說，國外單片晶圓清洗設備已發展到12個、16個腔體、對應的附屬設備的介質供應也越多，可滿足智能化、軟件控制、壓力均等和清洗后的存放等需求，而國產濕法清洗設備從種類和功能上目前能實現的部分較為有限。但目前本土企業的發展已經漸入佳境，我們分別介紹一下。

　　1998年，盛美半導體在美國硅谷成立，是國家千人專家王暉博士為代表的清華校友所創立的，2006 年9月與上海市政府合資成立了盛美半導體設備（上海）有限公司。

　　盛美股份是國內半導體清洗設備龍頭企業，主攻單片清洗設備。2015年，公司生產的12英寸45納米半導體單片晶圓清洗設備交付韓國知名存儲器廠商海力士，成為國內首臺具有自主知識產權的高端12英寸半導體設備，打破了國產設備在海外銷售的零記錄。

　　2019年盛美股份在全球單片清洗設備份額達4%。根據中國國際招標網的數據，長江存儲第14-38批設備招標中，公布了88臺清洗設備中標名錄，其中迪恩士、盛美股份、拉姆研究占據榜單前三，中標臺數分別為25臺、18臺、16臺，份額分別為28%、20%、18%。盛美股份獲得20%的清洗設備份額，遠高于其全球3%的份額。

　　今年6月份，盛美股份科創板IPO申請已經獲上交所受理。財務數據顯示，2017-2019年，盛美股份收入分別為2.54億元、5.5億元、7.57 億元，CAGR 為72.4%，歸母凈利潤分別為1086萬元、9253萬元、1.35億元，CAGR 為252.4%，不出意外的話公司會順利上市。

　　北方華創是2015年由七星電子和北方微電子戰略重組而成，由此形成了半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件四個事業群。2017 年北方華創收購了美國硅片清洗公司Akion，在原有清洗設備的基礎上進行了整合。目前公司主要清洗設備產品為單片和槽式清洗設備，現在有Saqua 系列12英寸單片清洗機和Bpure系列全自動槽式清洗機，可以用于90-28nm芯片生產。2019年，北方華創在槽式清洗設備份額達7%。

　　至純科技基于自身作為半導體產業高純工藝系統集成商積累的優勢，通過結構優化和工藝延伸，投身于本土集成電路工藝裝備事業。公司于 2015年開始啟動濕法工藝裝備研發，2016年成立院士工作站，2017年成立獨立的半導體濕法事業部。

　　最新的數據顯示，2020年上半年，至純科技的單片清洗和槽式濕法設備在二季度出機超過了十臺，而去年全年才完成近20臺設備裝機，交付速度明顯加快，而且客戶已擴展到國內外半導體行業如中芯國際(行情688981,診股)、德州儀器、臺灣力晶等知名企業。

　　目前至純科技的單片濕法清洗設備在晶圓表面顆粒清洗能力以及每小時的產出量上，機臺性能和工藝將可以支持到14nm以下的工藝技術節點。至純科技在互動平臺上表示，公司的槽式濕法設備在質量上與國際水平相當乃至優于國際水平。

　　在《每日財報》看來，國產半導體清洗設備廠商迎來行業擴容和國產替代的雙重機遇。首先，隨著芯片工藝的進步及芯片結構的復雜化，清洗設備量價齊升，行業規模有望進一步擴容；其次，受益于國內芯片產線的加速建設和產能爬坡，國內清洗設備廠商通過差異化路線追趕，份額有望快速提升。