晶圆清洗设备概述

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述晶圆清洗设备。

晶圆清洗设备概述

晶圆经切割后，表面常附着大量由聚合物、光致抗蚀剂及蚀刻杂质等组成的颗粒物，这些物质会对后续工序中芯片的几何特征与电性能产生不良影响。颗粒物与晶圆表面的粘附力主要来自范德华力的物理吸附作用，因此业界主要采用物理或化学方法对颗粒物进行底切处理，通过逐步减小其与晶圆表面的接触面积，最终实现脱附。

随着半导体制程的不断进步，颗粒物尺寸逐渐向纳米级趋近，导致去除难度显著增加。与此同时，颗粒尺寸的减小使得晶圆表面残留颗粒数量激增，叠加晶圆图形尺寸的持续缩小，进一步加剧了清洗工作的复杂性。在此背景下，高性能晶圆清洗设备的重要性日益凸显。

晶圆清洗设备原理

主要分为湿法清洗和干法清洗两类。目前，湿法清洗占据市场主导地位，市场份额约占85%。湿法清洗在可预见的未来仍将是半导体清洗的主流技术，但其份额可能随干法技术成熟进一步小幅下降，但湿法清洗依然是目前的主流选择，尤其在 3D NAND 堆叠结构清洗、铜互连工艺等场景中不可替代。该方法通过液体化学溶剂对晶圆表面的金属附着、有机物及金属离子等污染物进行氧化、蚀刻和溶解，具体可分为刷洗类和化学清洗类。

刷洗类清洗设备以刷洗器为核心组件，能够有效清除硅片表面1μm及以上的颗粒物，主要应用于硅片切割或抛光后的清洗场景。这类设备通常由专用刷洗器、化学清洗液（如超纯水或异丙醇胺）构成。以聚乙烯醇（PVA）材质的刷洗器为例，其工作时与晶圆表面形成一层化学清洗液薄膜，由于晶圆表面的疏水性，溶液会被排斥，从而将悬浮于薄膜上的污染物带走。

化学清洗类设备主要包括浸入式湿法清洗槽、兆声清洗槽和旋转喷淋清洗设备等，其清洗原理基于RCA清洗技术及其衍生工艺。RCA湿法清洗技术借助溶剂、酸、表面活性剂和水，通过喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解等过程去除表面污染。浸入式湿法清洗槽的典型结构为：硅片置于专用清洗花篮后放入化学槽，经化学液清洗后取出，再转入水槽冲洗。化学槽材质根据酸碱性和加热需求，可选用聚丙烯（NPP）、聚偏氟乙烯（PVDF）或石英玻璃等。常温化学槽多采用NPP材料，溶液可加热至180℃以上，通常由石英槽、保温层和NPP外槽组成，通过石英槽外的加热膜或涂层对溶液加热，槽内的温度和液位传感器则用于防止加热器干烧。PVDF加热槽常用于氢氟酸（HF）溶液清洗，支持盘管式或平板式浸入加热。

兆声清洗槽是在浸入式湿法清洗槽基础上增加兆声能量，可减少30%以上的化学用液和超纯水消耗，缩短晶片浸蚀时间，降低对电路特征的影响并延长清洗液使用寿命。其常用频率为800kHz~1MHz，功率100~600W。兆声换能器作为核心部件安装于槽体底部，分为平板式和圆弧板式等类型，其中圆弧板式换能器因能量传播和分布更优，清洗效果更佳。石英槽采用水浴设计以避免清洗液腐蚀换能器，底部10°~15°的倾斜坡度可促使气泡在浮力作用下沿槽底上浮，减少对兆声波能量的吸收，水浴外槽则采用不锈钢或石英材质。

旋转喷淋清洗设备是浸入式清洗的升级版本，新增自动喷液系统、清洗腔体和废液回收系统。自动喷液系统可实时混合不同化学试剂，确保清洗液新鲜度；旋转和喷淋功能使溶液分布更均匀，密封腔体则能隔绝化学液挥发，减少损耗和环境危害，整体药液使用量可降低约30%。

干法清洗是近年来发展的新型技术，无需液体溶剂，通过气相化学反应或离子轰击实现清洗，具有无废液、可局部选择性清洗等优点，主要包括热氧化法和等离子清洗法。热氧化法利用氧化炉导入热气体，通过真空泵抽走反应生成的挥发性产物；等离子清洗法则通过真空等离子清洗机，使带电污染物因电荷排斥脱离晶圆表面。此外，机械擦洗、束流清洗等其他清洗手段也在特定场景中得到应用。

晶圆清洗设备发展

从发展历程看，20世纪50年代半导体IC制程初步建立时，晶圆清洗以简单刷洗为主。1965年，RCA公司研发出RCA清洗法，1970年进一步推出尼龙材质刷洗器及配套设备，有效解决了抛光后金属微粒的清洗问题。此后，刷洗器材料逐步转向聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）等低损伤材质，结构也向疏松多孔设计优化。20世纪70年代初，首台浸入式湿法清洗机问世，单次可清洗4片晶圆。70至90年代，湿法清洗机通过引入兆声清洗槽、旋转清洗槽提升清洗效果，并增加腔室数量（前沿机型达12腔室，产能375片/小时）以提高效率。90年代后，随着铜布线工艺普及，稀酸清洗工艺取代强酸溶剂，臭氧与兆频超声波的结合进一步提升了清洗精度。2010年以来，随着制程进入14nm及以下节点，干法清洗因低损伤特性逐渐应用，但目前仍不成熟，湿法清洗仍是主流。成熟的清洗设备系统包括湿法清洗机、部件清洗机、药液系统和辅助设备（如干燥、存储设备）等。

集成电路制程微缩和3D结构升级将推动清洗设备市场发展。一方面，线宽缩小导致清洗量增加，需进一步提升设备效率；另一方面，3D结构要求清洗深入内部且无损，对设备技术提出了全新挑战。

市场规模与竞争格局

一、全球市场与中国市场

根据SEMI数据，2023年全球半导体设备市场规模达1063亿美元。2024年中国大陆半导体设备市场规模为496亿美元，同比增长35%，占全球份额提升至42.3%，连续第五年成为全球最大市场。迪恩士、东京电子、泛林半导体和韩国SEMES合计占据全球86%的市场份额，其中迪恩士以37%的市占率位居第一。

2024 年全球前道清洗设备市场规模约为53.3 亿美元。2024 年中国大陆清洗设备市场规模为158.82 亿元人民币（约 22.7 亿美元）（仅含晶圆制造设备）。

全球占比：中国清洗设备市场占全球前道设备清洗市场的42.6%，与中国半导体设备市场占全球 42.3% 的份额基本匹配

二、国际龙头企业动态

迪恩士（Screen）

作为全球清洗设备领导者，迪恩士的SU系列清洗机（如SU-3300）覆盖7nm至3nm先进制程。该设备集成24个清洗腔室，产能达375片/小时，支持晶圆背面清洗和纳米级颗粒去除。2024年数据显示，其在中国大陆市场的份额仍保持领先，客户涵盖中芯国际、华虹等头部晶圆厂。

东京电子（TEL）

东京电子的CELLESTA SCD系列通过超临界流体干燥技术，有效保护28nm以下制程的晶圆微细结构。截至2024年，其全球累计出货量已超6.2万套，在3D NAND清洗领域具有显著优势。

3.泛林半导体（Lam Research）

根据泛林半导体（Lam Research）的公开信息，其最新一代清洗设备已从 Coronus HP 升级至EOS 系列。泛林半导体的EOS系列采用等离子约束技术实现晶圆边缘残留物的选择性移除，并支持金属薄膜去除以避免后续工艺电弧风险。其AI驱动的工艺优化系统可将缺陷率降低30%以上。

三、国内企业突破与进展

盛美半导体（ACM Research）

2024年盛美上海实现营收56.18亿元，同比增长44.48%，其中清洗设备收入40.57亿元，占比72.22%。其自主研发的SAPS和TEBO技术解决了兆声波清洗的能量均匀性难题，相关设备已进入台积电、SK海力士等国际大厂供应链。针对3D NAND和GAA FET结构的清洗挑战，盛美推出的UltracTahoe高温硫酸清洗设备可减少75%的硫酸用量，并通过槽式+单片组合清洗技术实现高洁净度。2024年，盛美发布了兼容先进制程的新一代清洗平台Ultra C v3.0，采用负压清洗技术，已获得国内头部芯片制造商的批量订单。

北方华创

通过收购美国Akrion技术，北方华创的Saqua系列清洗机覆盖0.5μm至28nm工艺。2024年其14nm清洗机已进入国内某存储芯片厂验证阶段，同年推出的Saqua SC4000型号采用双兆声波换能器设计，效率提升40%。2024年北方华创集成电路设备订单占比超70%，清洗设备收入未单独披露，但2023年立式炉和清洗设备收入超30亿元。

至纯科技

2024年至纯科技新增订单总额达55.77亿元，其中84.55%来自集成电路行业，且88.46%服务于12英寸先进制程客户。其ULTRON S3XX型号通过200+清洗步骤和95%化学品回收设计，符合欧盟标准，支持3D结构芯片的精密清洗，客户包括长江存储、合肥长鑫等。2024年升级的ULTRON S3XX Pro版本引入了量子点荧光检测技术，可检测直径小于50nm的颗粒。

四、技术趋势与行业挑战

随着制程进入3nm及3D NAND堆叠结构普及，清洗设备需在无损条件下实现内部污染物清除。例如，3D NAND的堆叠层数预计将突破500层（三星、铠侠等厂商研发进展），要求清洗液能渗透至深孔底部，而GAA FET的纳米片结构（含16个垂直表面）对清洗均匀性提出极高要求。盛美的TEBO技术通过控制气泡振荡频率，可在不损伤结构的前提下清除亚微米颗粒，已应用于某国际大厂的3D NAND产线。
环保压力推动清洗液革新。盛美的UltracTahoe设备通过硫酸循环利用技术，将单片晶圆的硫酸消耗量从5升降至1.25升，同时废水处理成本降低40%。至纯科技的ULTRON S3XX则采用多层腔体设计，化学品回收率高达95%，符合欧盟RoHS标准。

五、未来展望

SEMI预测，2025年全球半导体设备销售额将达1240亿美元，其中晶圆厂设备支出增长18%至1100亿美元。多方预计2025年中国市场规模将在380亿至544.5亿美元之间，具体差异源于统计口径：

SEMI预测（全流程设备）：2025年全球半导体设备销售额预计达1250亿美元，中国占比约30%-40%，对应375亿-500亿美元。

华泰证券预测（全流程设备）：2025年中国市场规模预计为450亿美元，同比下降17%，主要因国内资本开支放缓。

行业产能驱动预测：2025年中国300mm晶圆厂设备支出预计保持在300亿美元以上，叠加封装测试设备需求，整体市场规模可能突破500亿美元。

国内企业需在兆声波、干法清洗等领域突破技术壁垒，同时应对国际厂商在3nm节点的先发优势。政策层面，中国“十四五”规划将半导体设备列为重点扶持领域，进一步推动国产替代进程。