半导体清洗设备：2027年行业规模将达65亿美元全球市场被海外厂商垄断

2024-07-13 08:55

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一、半导体清洗技术中湿法清洗占主导，单片清洗设备为主流湿法设备

根据观研报告网发布的《中国半导体清洗设备行业现状深度分析与发展前景研究报告（2024-2031年）》显示，半导体制造过程中不可避免会产生一些颗粒、有机物、自然氧化层、金属杂质等污染物，为避免污染物影响芯片良率和芯片产品性能，半导体清洗工序必不可少。

半导体制造过程中污染物对后续工艺影响

污染物	来源	主要危害
颗粒	环境，其他工艺工程中产生	影响后续光刻，干法刻蚀工艺，造成器件短路
自然氧化层	环境	影响后续氧化，沉积工艺，造成器件电性失效
金属污染	环境，其他工艺工程中产生	影响后续氧化工艺，造成器件电性失效
有机物	干法刻蚀副产物，环境	影响后续沉积工艺，造成器件电性失效
牺牲层	氧化/沉积工艺	影响后续特定工艺，造成器件电性失效
抛光残留物	研磨液	影响后续特定工艺，造成器件电性失效

资料来源：观研天下整理

根据清洗介质的不同，半导体清洗技术可以分为湿法清洗（包括溶液浸泡法、机械刷洗法、二流体清洗、超声波清洗、兆声波清洗、批式旋转喷淋法）和干法清洗（括等离子清洗、气相清洗和束流清洗）两种。

湿法清洗是根据不同的工艺需求，主要是通过去离子水、清洗剂等对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除晶圆制造过程中的杂质。干法清洗是指不使用化学溶剂，采用气态的氢氟酸刻蚀不规则分布的有结构的晶圆二氧化硅层，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，主要在28nm及以下技术节点的逻辑产品和存储产品有应用。目前半导体清洗以湿法清洗为主，占总清洗步骤的90%以上。

半导体清洗技术分类

类别	清洗方法	清洗介质	工艺简介	应用特点
湿法清洗	溶液浸泡法	批式旋转喷淋法	主要用于槽式清洗设备，将待清洗晶圆放入溶液中浸泡，通过溶液与晶圆表面及杂质的化学反应达到去除污染物的目的。	应用广泛，针对不同的杂质可选用不同的化学药液；产能高，同时可进行多片晶圆浸泡工艺；成本低，分摊在每片晶圆上的化学品消耗少；容易造成晶圆之间的交叉污染
	机械刷洗法	去离子水	主要配置包括专用刷洗器，配合去离子水利用刷头与晶圆表面的摩擦力以达到去除颗粒的清洗方法。	成本低，工艺简单，对微米级的大颗粒去除效果好；清洗介质一般为水，应用受到局限；易对晶圆造成损伤。一般用于机械抛光后大颗粒的去除和背面颗粒的去除。
	二流体清洗	SC-1 溶液,去离子水等	一种精细化的水气二流体雾化喷嘴，在喷嘴的两端分别通入液体介质和高纯氮气，使用高纯氮气为动力，辅助液体微雾化成极微细的液体粒子被喷射至晶圆表面，从而达到去除颗粒的效果。	效率高，广泛用于辅助颗粒去除的清洗步骤中；对精细晶圆图形结构有损伤的风险，且对小尺寸颗粒去除能力不足。
	超声波清洗	化学溶剂加超声辅助	在 20-40kHz 超声波下清洗，内部产生空腔泡，泡消失时将表面杂质解吸。	能清除晶圆表面附着的大块污染和颗粒；易造成晶圆图形结构损伤。
	兆声波清洗	化学溶剂加兆声波辅助	与超声波清洗类似，但用 1-3MHz 工艺频率的兆声波。	对小颗粒去除效果优越，在高深宽比结构清洗中优势明显，精确控制空穴气泡后，兆声波也可应用于精细晶圆图形结构的清洗；造价较高。
	批式旋转喷淋法	高压喷淋去离子水或清洗液	清洗腔室配置转盘，可一次装载至少两个晶圆盒，在旋转过程中通过液体喷柱不断向圆片表面喷淋液体去除圆片表面杂质。	与传统的槽式清洗相比，化学药液的使用量更低；机台占地面积小；化学药液之间存在交叉污染风险，若单一晶圆产生碎片，整个清洗腔室内所有晶圆均有报废风险。
干法清洗	等离子清洗	氧气等离子体	在强电场作用下，使氧气产生等离子体，迅速使光刻胶气化成为可挥发性气体状态物质并被抽走。	工艺简单、操作方便、坏境友好、表面干净无划伤；较难控制、造价较高。
	气相清洗	化学试剂的气相等效物	利用液体工艺中对应物质的汽相等效物与圆片表面的沾污物质相互作用。	化学品消耗少，清洗效率高；但不能有效去除金属污染物；较难控制、造价较高。
	束流清洗	高能束流状物质	利用液体工艺中对应物质的汽相等效物与圆片表面的沾污物质相互作用。	技术较新，清洗液消耗少、避免二次污染；较难控制、造价较高。

资料来源：观研天下整理

数据来源：观研天下数据中心整理

主流的湿法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，其中单片清洗设备具备极高的工艺控制和微粒去除能力，可有效的解决晶圆间交叉污染，其应用广泛，是晶圆制造环节中市场份额最高的清洗设备。根据数据，2019年，全球单片清洗设备占比高达75%，远高于槽式清洗设备的18.09%、组合式清洗设备的6.82%、批发螺旋喷淋清洗设备的0.43%。

湿法清洗设备分类

设备种类	清洗方式	应用特点
单片清洗设备	旋转喷淋，兆声波清洗，二流体清洗，机械刷洗等	具有极高的工艺环境控制能力与微粒去除能力，有效解决晶圆之间交叉污染的问题；每个清洗腔体内每次只能清洗单片晶圆，设备产能较低
槽式清洗设备	溶液浸泡，兆声波清洗等	清洗产能高，适合大批量生产；但颗粒，湿法刻蚀速度控制差；交叉污染风险大
组合式清洗设备	溶液浸泡+旋转喷淋组合清洗	产能较高，清洗精度较高，并可大幅降低浓硫酸使用量；产品造价较高
批式旋转喷淋清洗设备	旋转喷淋	相对传统槽式清洗设备，批式旋转设备可实现 120ºC 以上甚至达到 200ºC 高温硫酸工艺要求；各项工艺参数控制困难，晶圆碎片后整个清洗腔室内所有晶圆均有报废风险

资料来源：观研天下整理

数据来源：观研天下数据中心整理

二、半导体清洗设备增长空间广阔，2027年市场规模将达65亿美元

随着半导体制造工艺技术的不断提升，芯片尺寸不断缩小，对杂质敏感度提升，清洗步骤也在不断增加，90nm的芯片清洗工艺约90道，20nm的清洗工艺则达到了215道，目前清洗步骤占整个半导体工艺所有步骤约1/3，几乎所有制作过程前后都需要清洗，为清洗设备带来了广阔的增长空间。

2023年全球半导体清洗设备规模达到50亿美元，同比下降2.01%；随着半导体下游需求回暖，晶圆厂保持高额资本开支，预测2027年全球半导体清洗设备市场规模达65亿美元，对应2023-2027年CAGR为6.73%。

数据来源：观研天下数据中心整理

三、海外厂商凭借产品优势，垄断全球半导体清洗设备市场

全球半导体清洗设备市场集中度高。海外厂商凭借可选配腔体数、每小时晶圆产能、制程节点上领先优势，垄断全球清洗设备市场。根据数据，2023年全球半导体清洗设备CR4达86%，其中日本DNS、TEL，以及美国Lam、韩国SEMES公司分别占比37%、22%、17%、10%。中国厂商起步相对较晚，市占率较低，仅盛美上海占全球半导体清洗设备市占率7%，排名第五，清洗设备国产替代空间仍然广阔。

全球半导体清洗设备代表厂商产品对比

公司	DNS	TEL	盛美上海	北方华创	华海清科	至纯科技	芯源微
机型	SU-3400	CELLESTA™-iMD	UltraC VI	SC3080	HSC-F3400	S300-HS	KS-CM300/200
晶圆尺寸	12	12	12	12	12	12	-
技术特点	通过纳米喷射方式将高密度液滴通过氮气喷射至晶圆表面，达到颗粒去除目的	通过 IPA 分配器的腔室气氛控制和性能改进，实现了无塌陷干燥技术	清洗方式可选配SAPS 兆声波、TEBO 兆声波、二流体清洗	能够进行全自动dry in dry out 清洗工艺	采用卓越的颗粒与金属污染控制系统，搭载高性能卡盘夹持技术	高温硫酸回收、高浓度化学品稳定应用、高稳定化学品混配系统	通过气体流场仿真优化，确保机台内部微环境均匀稳定，同时搭载了独立研发的新一代高清洗效率低损伤射流喷嘴
制程节点	7nm	10nm及以上	28nm（14nm未量产）	-	-	28nm（14nm 未量产）	26nm
腔体数	24	-	18	4腔或8腔可选	-	-	16
每小时晶圆产能(WPH)	1200	600	800	-	-	-	600