文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述晶圓清洗設備。

晶圓清洗設備概述

晶圓經切割后，表面常附著大量由聚合物、光致抗蝕劑及蝕刻雜質等組成的顆粒物，這些物質會對后續工序中芯片的幾何特征與電性能產生不良影響。顆粒物與晶圓表面的粘附力主要來自范德華力的物理吸附作用，因此業界主要采用物理或化學方法對顆粒物進行底切處理，通過逐步減小其與晶圓表面的接觸面積，最終實現脫附。

隨著半導體制程的不斷進步，顆粒物尺寸逐漸向納米級趨近，導致去除難度顯著增加。與此同時，顆粒尺寸的減小使得晶圓表面殘留顆粒數量激增，疊加晶圓圖形尺寸的持續縮小，進一步加劇了清洗工作的復雜性。在此背景下，高性能晶圓清洗設備的重要性日益凸顯。

晶圓清洗設備原理

主要分為濕法清洗和干法清洗兩類。目前，濕法清洗占據市場主導地位，市場份額約占85%。濕法清洗在可預見的未來仍將是半導體清洗的主流技術，但其份額可能隨干法技術成熟進一步小幅下降，但濕法清洗依然是目前的主流選擇，尤其在 3D NAND 堆疊結構清洗、銅互連工藝等場景中不可替代。該方法通過液體化學溶劑對晶圓表面的金屬附著、有機物及金屬離子等污染物進行氧化、蝕刻和溶解，具體可分為刷洗類和化學清洗類。

刷洗類清洗設備以刷洗器為核心組件，能夠有效清除硅片表面1μm及以上的顆粒物，主要應用于硅片切割或拋光后的清洗場景。這類設備通常由專用刷洗器、化學清洗液（如超純水或異丙醇胺）構成。以聚乙烯醇（PVA）材質的刷洗器為例，其工作時與晶圓表面形成一層化學清洗液薄膜，由于晶圓表面的疏水性，溶液會被排斥，從而將懸浮于薄膜上的污染物帶走。

化學清洗類設備主要包括浸入式濕法清洗槽、兆聲清洗槽和旋轉噴淋清洗設備等，其清洗原理基于RCA清洗技術及其衍生工藝。RCA濕法清洗技術借助溶劑、酸、表面活性劑和水，通過噴射、凈化、氧化、蝕刻和溶解等過程去除表面污染。浸入式濕法清洗槽的典型結構為：硅片置于專用清洗花籃后放入化學槽，經化學液清洗后取出，再轉入水槽沖洗。化學槽材質根據酸堿性和加熱需求，可選用聚丙烯（NPP）、聚偏氟乙烯（PVDF）或石英玻璃等。常溫化學槽多采用NPP材料，溶液可加熱至180℃以上，通常由石英槽、保溫層和NPP外槽組成，通過石英槽外的加熱膜或涂層對溶液加熱，槽內的溫度和液位傳感器則用于防止加熱器干燒。PVDF加熱槽常用于氫氟酸（HF）溶液清洗，支持盤管式或平板式浸入加熱。

兆聲清洗槽是在浸入式濕法清洗槽基礎上增加兆聲能量，可減少30%以上的化學用液和超純水消耗，縮短晶片浸蝕時間，降低對電路特征的影響并延長清洗液使用壽命。其常用頻率為800kHz~1MHz，功率100~600W。兆聲換能器作為核心部件安裝于槽體底部，分為平板式和圓弧板式等類型，其中圓弧板式換能器因能量傳播和分布更優，清洗效果更佳。石英槽采用水浴設計以避免清洗液腐蝕換能器，底部10°~15°的傾斜坡度可促使氣泡在浮力作用下沿槽底上浮，減少對兆聲波能量的吸收，水浴外槽則采用不銹鋼或石英材質。

旋轉噴淋清洗設備是浸入式清洗的升級版本，新增自動噴液系統、清洗腔體和廢液回收系統。自動噴液系統可實時混合不同化學試劑，確保清洗液新鮮度；旋轉和噴淋功能使溶液分布更均勻，密封腔體則能隔絕化學液揮發，減少損耗和環境危害，整體藥液使用量可降低約30%。

干法清洗是近年來發展的新型技術，無需液體溶劑，通過氣相化學反應或離子轟擊實現清洗，具有無廢液、可局部選擇性清洗等優點，主要包括熱氧化法和等離子清洗法。熱氧化法利用氧化爐導入熱氣體，通過真空泵抽走反應生成的揮發性產物；等離子清洗法則通過真空等離子清洗機，使帶電污染物因電荷排斥脫離晶圓表面。此外，機械擦洗、束流清洗等其他清洗手段也在特定場景中得到應用。

晶圓清洗設備發展

從發展歷程看，20世紀50年代半導體IC制程初步建立時，晶圓清洗以簡單刷洗為主。1965年，RCA公司研發出RCA清洗法，1970年進一步推出尼龍材質刷洗器及配套設備，有效解決了拋光后金屬微粒的清洗問題。此后，刷洗器材料逐步轉向聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）等低損傷材質，結構也向疏松多孔設計優化。20世紀70年代初，首臺浸入式濕法清洗機問世，單次可清洗4片晶圓。70至90年代，濕法清洗機通過引入兆聲清洗槽、旋轉清洗槽提升清洗效果，并增加腔室數量（前沿機型達12腔室，產能375片/小時）以提高效率。90年代后，隨著銅布線工藝普及，稀酸清洗工藝取代強酸溶劑，臭氧與兆頻超聲波的結合進一步提升了清洗精度。2010年以來，隨著制程進入14nm及以下節點，干法清洗因低損傷特性逐漸應用，但目前仍不成熟，濕法清洗仍是主流。成熟的清洗設備系統包括濕法清洗機、部件清洗機、藥液系統和輔助設備（如干燥、存儲設備）等。

集成電路制程微縮和3D結構升級將推動清洗設備市場發展。一方面，線寬縮小導致清洗量增加，需進一步提升設備效率；另一方面，3D結構要求清洗深入內部且無損，對設備技術提出了全新挑戰。

市場規模與競爭格局

一、全球市場與中國市場

根據SEMI數據，2023年全球半導體設備市場規模達1063億美元。2024年中國大陸半導體設備市場規模為496億美元，同比增長35%，占全球份額提升至42.3%，連續第五年成為全球最大市場。迪恩士、東京電子、泛林半導體和韓國SEMES合計占據全球86%的市場份額，其中迪恩士以37%的市占率位居第一。

2024 年全球前道清洗設備市場規模約為53.3 億美元。2024 年中國大陸清洗設備市場規模為158.82 億元人民幣（約 22.7 億美元）（僅含晶圓制造設備）。

全球占比：中國清洗設備市場占全球前道設備清洗市場的42.6%，與中國半導體設備市場占全球 42.3% 的份額基本匹配

二、國際龍頭企業動態

迪恩士（Screen）

作為全球清洗設備領導者，迪恩士的SU系列清洗機（如SU-3300）覆蓋7nm至3nm先進制程。該設備集成24個清洗腔室，產能達375片/小時，支持晶圓背面清洗和納米級顆粒去除。2024年數據顯示，其在中國大陸市場的份額仍保持領先，客戶涵蓋中芯國際、華虹等頭部晶圓廠。

東京電子（TEL）

東京電子的CELLESTA SCD系列通過超臨界流體干燥技術，有效保護28nm以下制程的晶圓微細結構。截至2024年，其全球累計出貨量已超6.2萬套，在3D NAND清洗領域具有顯著優勢。

3.泛林半導體（Lam Research）

根據泛林半導體（Lam Research）的公開信息，其最新一代清洗設備已從 Coronus HP 升級至EOS 系列。泛林半導體的EOS系列采用等離子約束技術實現晶圓邊緣殘留物的選擇性移除，并支持金屬薄膜去除以避免后續工藝電弧風險。其AI驅動的工藝優化系統可將缺陷率降低30%以上。

三、國內企業突破與進展

盛美半導體（ACM Research）

2024年盛美上海實現營收56.18億元，同比增長44.48%，其中清洗設備收入40.57億元，占比72.22%。其自主研發的SAPS和TEBO技術解決了兆聲波清洗的能量均勻性難題，相關設備已進入臺積電、SK海力士等國際大廠供應鏈。針對3D NAND和GAA FET結構的清洗挑戰，盛美推出的UltracTahoe高溫硫酸清洗設備可減少75%的硫酸用量，并通過槽式+單片組合清洗技術實現高潔凈度。2024年，盛美發布了兼容先進制程的新一代清洗平臺Ultra C v3.0，采用負壓清洗技術，已獲得國內頭部芯片制造商的批量訂單。

北方華創

通過收購美國Akrion技術，北方華創的Saqua系列清洗機覆蓋0.5μm至28nm工藝。2024年其14nm清洗機已進入國內某存儲芯片廠驗證階段，同年推出的Saqua SC4000型號采用雙兆聲波換能器設計，效率提升40%。2024年北方華創集成電路設備訂單占比超70%，清洗設備收入未單獨披露，但2023年立式爐和清洗設備收入超30億元。

至純科技

2024年至純科技新增訂單總額達55.77億元，其中84.55%來自集成電路行業，且88.46%服務于12英寸先進制程客戶。其ULTRON S3XX型號通過200+清洗步驟和95%化學品回收設計，符合歐盟標準，支持3D結構芯片的精密清洗，客戶包括長江存儲、合肥長鑫等。2024年升級的ULTRON S3XX Pro版本引入了量子點熒光檢測技術，可檢測直徑小于50nm的顆粒。

四、技術趨勢與行業挑戰

隨著制程進入3nm及3D NAND堆疊結構普及，清洗設備需在無損條件下實現內部污染物清除。例如，3D NAND的堆疊層數預計將突破500層（三星、鎧俠等廠商研發進展），要求清洗液能滲透至深孔底部，而GAA FET的納米片結構（含16個垂直表面）對清洗均勻性提出極高要求。盛美的TEBO技術通過控制氣泡振蕩頻率，可在不損傷結構的前提下清除亞微米顆粒，已應用于某國際大廠的3D NAND產線。
環保壓力推動清洗液革新。盛美的UltracTahoe設備通過硫酸循環利用技術，將單片晶圓的硫酸消耗量從5升降至1.25升，同時廢水處理成本降低40%。至純科技的ULTRON S3XX則采用多層腔體設計，化學品回收率高達95%，符合歐盟RoHS標準。

五、未來展望

SEMI預測，2025年全球半導體設備銷售額將達1240億美元，其中晶圓廠設備支出增長18%至1100億美元。多方預計2025年中國市場規模將在380億至544.5億美元之間，具體差異源于統計口徑：

SEMI預測（全流程設備）：2025年全球半導體設備銷售額預計達1250億美元，中國占比約30%-40%，對應375億-500億美元。

華泰證券預測（全流程設備）：2025年中國市場規模預計為450億美元，同比下降17%，主要因國內資本開支放緩。

行業產能驅動預測：2025年中國300mm晶圓廠設備支出預計保持在300億美元以上，疊加封裝測試設備需求，整體市場規模可能突破500億美元。

國內企業需在兆聲波、干法清洗等領域突破技術壁壘，同時應對國際廠商在3nm節點的先發優勢。政策層面，中國“十四五”規劃將半導體設備列為重點扶持領域，進一步推動國產替代進程。