晶圓制程推動(dòng)量?jī)r(jià)齊升，2019年中國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)格局分析[圖]

    一、清洗設(shè)備產(chǎn)品定義分類與技術(shù)概況

    1、半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備定義

    半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備主要是用于清洗半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒、有機(jī)物、金屬和自然氧化層等污染物的設(shè)備。根據(jù)清洗原理的不同，清洗設(shè)備可分為干法清洗設(shè)備和濕法清洗設(shè)備。

    清洗環(huán)節(jié)是晶圓制造過(guò)程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是工序環(huán)節(jié)最多的一類，廣泛用于去除從環(huán)境、其他制造工藝、刻蝕副產(chǎn)物、研磨液等物質(zhì)中帶來(lái)的污染物，這些污染物如不及時(shí)清理均可能造成后續(xù)制造工藝的失敗，造成器件的電性失效。

    尤其是隨著制程工藝不斷向物理極限逼近，對(duì)實(shí)際制造的幾個(gè)環(huán)節(jié)也提出了新要求，對(duì)于晶圓的潔凈度要求也不斷增加，清洗環(huán)節(jié)的重要性日益凸顯，清洗步驟顯著增加，清洗設(shè)備行業(yè)呈現(xiàn)出明顯的量?jī)r(jià)齊升的特點(diǎn)。

    2、半導(dǎo)體晶圓主要清洗方法

    在實(shí)際半導(dǎo)體制作中，按照清洗原理來(lái)分類，主要有干法清洗設(shè)備和濕法清洗設(shè)備。目前90%以上的清洗步驟都是以濕法設(shè)備為主。

    濕法清洗采用特定的化學(xué)藥液和去離子水對(duì)晶圓表面進(jìn)行無(wú)損傷清洗，使硅表面的雜質(zhì)與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性物質(zhì)或者氣體，從而將晶圓表面的顆?；蛘咂渌饘匐x子清洗掉，是目前主流的清洗方式、占整個(gè)清洗制程的90%以上。主要包括RCA清洗法、超聲清洗等，濕法清洗具有效率高、成本較低等優(yōu)勢(shì)，但也有可能由于化學(xué)試劑使用多，會(huì)造成化學(xué)污染、交叉污染、晶片損傷等。

    干法清洗方式是指不使用化學(xué)試劑的清洗技術(shù)，包含等離子體清洗，氣相清洗等等。干法清洗效率較高，但是不能清洗非揮發(fā)性雜質(zhì)，因此應(yīng)用有限。目前在實(shí)際生產(chǎn)中清洗過(guò)程是將兩種方法結(jié)合起來(lái)使用，大部分步驟使用濕法清洗，少部分特定站點(diǎn)使用干法清洗來(lái)提高清洗效率。

半導(dǎo)體晶圓主要清洗方法對(duì)比

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    3、半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備分類及其趨勢(shì)

    按照設(shè)備結(jié)構(gòu)與同時(shí)清洗的數(shù)量來(lái)看，清洗設(shè)備可分為槽式清洗設(shè)備和單晶圓清洗設(shè)備。槽式清洗是將多片晶圓（不同清洗設(shè)備有不同的清洗數(shù)量，一般為100片至200片）放入清洗槽中，集中清洗。單晶圓清洗設(shè)備是每次清洗只清洗一片晶圓。

    槽式清洗設(shè)備吞吐量大，可以很好的提高產(chǎn)能，但也有明顯的缺點(diǎn)，如溶劑的濃度控制，清洗不均勻等。目前槽式清洗設(shè)備主要用在爐管前的清洗，去膠和薄膜沉積前的清洗，銅/鈦刻蝕前清洗和氧化層/氮化硅刻蝕的清洗。

    單晶圓清洗設(shè)備能夠更好的控制清洗質(zhì)量，也可以提高單片晶圓不同位置的清洗均勻度，特別是對(duì)于空洞的清洗能力很強(qiáng)。但由于設(shè)備的吞吐量小，同時(shí)價(jià)格相對(duì)較高，因此應(yīng)用較為有限，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，槽式仍是主流，但單晶圓式的占比在不斷提升。

半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備分類和相應(yīng)適用場(chǎng)合

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    在濕法清洗工藝路線下，目前主流的清洗設(shè)備主要包括單片清洗設(shè)備、槽式清洗設(shè)備、組合式清洗設(shè)備和批式旋轉(zhuǎn)噴淋清洗設(shè)備等。值得注意的是，在集成電路制造的先進(jìn)工藝中，單片清洗已逐步取代槽式清洗成為主流。

    一是單片清洗能夠在整個(gè)制造周期提供更好的工藝控制，改善了單個(gè)晶圓和不同晶圓間的均勻性，提高了產(chǎn)品良率；二是由于更大尺寸的晶圓和更先進(jìn)的工藝對(duì)于雜質(zhì)更敏感，槽式清洗出現(xiàn)交叉污染的影響會(huì)更大，進(jìn)而危及整批晶圓的良率，會(huì)帶來(lái)高成本的芯片返工支出。此外，單片槽式組合清洗技術(shù)的出現(xiàn)，可以綜合單片清洗和槽式清洗的優(yōu)點(diǎn)，在提高清洗能力及效率的同時(shí)，減少硫酸的使用量，在幫助客戶降低成本的同時(shí)，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策要求。目前各種清洗設(shè)備使用的清洗方式與應(yīng)用特點(diǎn)如情況如下：

半導(dǎo)體清洗設(shè)備分類

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    二、半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備行業(yè)及其市場(chǎng)概況

    1、市場(chǎng)需求量?jī)r(jià)齊升特點(diǎn)明顯

    總體而言，隨著半導(dǎo)體晶圓制程向不斷的提升，國(guó)內(nèi)晶圓制造產(chǎn)能逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)，半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備整體呈現(xiàn)出明顯的量?jī)r(jià)齊升的特點(diǎn)。

    一是由于制程的提升，清洗環(huán)節(jié)的重要性日益凸顯，清洗步驟顯著增加。一般而言，在90nm工藝節(jié)點(diǎn)制程下，只需要90次左右的清洗步驟就可以達(dá)到較好的良率。但是在下一代65nm工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，清洗步驟增加到140步左右。而到了22nm/20nm節(jié)點(diǎn)，清洗步驟增加到210次左右。

    二是由于制程的提升，晶圓清洗的要求也顯著提升，單晶圓清洗設(shè)備逐漸稱為主流，吞吐量下降。在45nm以后，吞吐量較大的槽式清洗設(shè)備由于技術(shù)原因使用量大量減少，清洗設(shè)備換成了單片清洗設(shè)備。單片清洗設(shè)備的吞吐量較小，槽式設(shè)備的吞吐量大概是正常單片晶圓清洗設(shè)備的3倍。再加上清洗步驟的增多，單一產(chǎn)線的清洗設(shè)備數(shù)量需求顯著增加，如22nm的清洗設(shè)備數(shù)量大概是90nm的6倍。

    三是單片清洗取代槽式清洗引起設(shè)備單價(jià)提高，由于晶圓尺寸的增加，即使在非先進(jìn)制程中，單片清洗設(shè)備的需求增長(zhǎng)也較為穩(wěn)定。

    從產(chǎn)品價(jià)格來(lái)看，單晶圓清洗設(shè)備普遍高于槽式清洗設(shè)備。同時(shí)單晶圓清洗設(shè)備可以包含多個(gè)反應(yīng)腔，反應(yīng)腔體越多，設(shè)備的吞吐量越大，價(jià)格也越高。

    目前2個(gè)腔體的單晶圓清洗設(shè)備為50-60萬(wàn)美元，8腔體設(shè)備已經(jīng)增加到250-300萬(wàn)美元左右，12腔體已經(jīng)到350-450萬(wàn)美元，目前世界最大清洗設(shè)備供應(yīng)商DNS制造的最先進(jìn)24腔體已經(jīng)達(dá)到4300萬(wàn)美元以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于槽式設(shè)備普遍的50-200萬(wàn)美元。

    即使在非先進(jìn)制程領(lǐng)域，當(dāng)晶圓大小從8寸擴(kuò)大到12寸時(shí)，特別是到45nm工藝以后，槽式清洗設(shè)備由于槽池不同區(qū)域，溫度和濃度相差較大，造成清洗不均勻的情況，因此在45nm工藝時(shí)大量引入單片清洗設(shè)備，代替槽式清洗設(shè)備，因此也推動(dòng)了價(jià)格的增長(zhǎng)。

    2、市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)總體穩(wěn)定

    從國(guó)內(nèi)的集成電路制造來(lái)看，現(xiàn)階段晶圓代工的技術(shù)節(jié)點(diǎn)已小于 28nm，逐步進(jìn)入22nm，部分先進(jìn)制程達(dá)到了14nm，并逐步接近了臺(tái)積電10nm的水平。因此國(guó)內(nèi)的晶圓制造過(guò)程中，對(duì)于晶圓表面污染物控制的指標(biāo)越來(lái)越高。而目前清洗設(shè)備在晶圓制造設(shè)備中的采購(gòu)費(fèi)用占比較為穩(wěn)定，且呈現(xiàn)出較為明顯的提升態(tài)勢(shì)。

    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀及投資價(jià)值評(píng)估報(bào)告》指出：半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備與其他領(lǐng)域的半導(dǎo)體清洗設(shè)備功能相近，但各技術(shù)指標(biāo)差異較大，行業(yè)集中度相對(duì)更高，受晶圓廠投資影響更大。半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備受集成電路制造與晶圓制造產(chǎn)能推動(dòng)顯著，近幾年來(lái)，中國(guó)的晶圓制造產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，投資加速，半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備需求保持高速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模也高速增加。

    2014年我國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備需求量39臺(tái)，到2019年增長(zhǎng)到了118臺(tái)。近幾年我國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備需求情況如下圖所示：

2014-2019年中國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備行業(yè)需求情況

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    2014年，我國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模僅為6.36億元，2019年已經(jīng)達(dá)到了20.11億元。

2014-2019年中國(guó)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模

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    三、行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局與國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

    由于晶圓制造等半導(dǎo)體設(shè)備廠商與晶圓制造廠商聯(lián)系緊密，企業(yè)往往要根據(jù)客戶的需求進(jìn)行一定的定制化研發(fā)生產(chǎn)。半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備企業(yè)遵循全球行業(yè)慣例，主要從事技術(shù)和工藝研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，為客戶提供設(shè)備和工藝解決方案。半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備企業(yè)一般直銷模式銷售產(chǎn)品，分銷和經(jīng)銷模式較少。在生產(chǎn)模式上，主要通過(guò)集成各核心供應(yīng)商的部件進(jìn)行生產(chǎn)。

    行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力主要由企業(yè)的技術(shù)與和較為完整的產(chǎn)品系列構(gòu)成，一般而言半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備企業(yè)通過(guò)長(zhǎng)期研發(fā)積累形成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保持較高的產(chǎn)品毛利，進(jìn)而保持較高比例的研發(fā)投入及市場(chǎng)開(kāi)拓，實(shí)現(xiàn)了較高的利潤(rùn)率，也可以持續(xù)擴(kuò)大的其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

    總體而言，行業(yè)進(jìn)入壁壘較高，行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)數(shù)量較少，全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)高度集中，市場(chǎng)份額主要集中在4家海外龍頭手中。尤其在單片清洗設(shè)備領(lǐng)域，DNS、TEL、LAM 與 SEMES 四家公司合計(jì)市場(chǎng)占有率達(dá)到 90%以上，其中 DNS 市場(chǎng)份額最高，市場(chǎng)占有率在 40%以上。

    目前，中國(guó)大陸能提供半導(dǎo)體清洗設(shè)備的企業(yè)較少，主要包括盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、芯源微及至純科技。其中盛美半導(dǎo)體為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體清洗設(shè)備的行業(yè)龍頭企業(yè)，全球份額約為1%，主要產(chǎn)品為集成電路領(lǐng)域的單片清洗設(shè)備，其中包括單片 SAPS 兆聲波清洗設(shè)備、單片 TEBO 兆聲波清洗設(shè)備、單片背面清洗設(shè)備、單片刷洗設(shè)備、槽式清洗設(shè)備和單片槽式組合清洗設(shè)備等，產(chǎn)品線較為豐富，在海力士等國(guó)際大廠內(nèi)有著較為持續(xù)的應(yīng)用和供應(yīng)關(guān)系。

    北方華創(chuàng)的主要清洗設(shè)備產(chǎn)品為單片及槽式清洗設(shè)備，可適用于技術(shù)節(jié)點(diǎn)為 65nm、28nm 工藝的芯片制造，北方華創(chuàng)的設(shè)備體系相對(duì)較全，其中清洗設(shè)備在其設(shè)備體系中占比僅為5%左右。

    至純科技具備生產(chǎn) 8-12 英寸高階單晶圓濕法清洗設(shè)備和槽式濕法清洗設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，技術(shù)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)先，并獲得了批量訂單，能夠覆蓋包括晶圓制造、先進(jìn)封裝、太陽(yáng)能在內(nèi)多個(gè)下游行業(yè)的市場(chǎng)需求；芯源微目前產(chǎn)品用于集成電路制造領(lǐng)域的單片式刷洗領(lǐng)域。

    總的來(lái)看，中國(guó)大陸作為全球最大半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)，消費(fèi)重心一定程度上牽引產(chǎn)能重心轉(zhuǎn)向中國(guó)，同時(shí)疊加國(guó)家戰(zhàn)略支持，全球產(chǎn)能不斷向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中資、外資半導(dǎo)體企業(yè)紛紛在中國(guó)投資建廠，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模高速成長(zhǎng)。同時(shí)行業(yè)內(nèi)企業(yè)技術(shù)實(shí)力也在不斷進(jìn)步，盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、至純科技等企業(yè)技術(shù)實(shí)力不斷進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷的增強(qiáng)。市場(chǎng)占有率不斷提升。

2014-2019年國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備規(guī)模及其占有率走勢(shì)

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    從產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)分布來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)主要以技術(shù)要求相對(duì)較低槽式為主，產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較低，但呈現(xiàn)出較為明顯的提升態(tài)勢(shì)。外資企業(yè)主要是單晶圓式清洗設(shè)備為主，槽式產(chǎn)品占比也相對(duì)較大。同時(shí)在工藝制程節(jié)點(diǎn)上較為領(lǐng)先，產(chǎn)品價(jià)格較為昂貴。

    四、行業(yè)發(fā)展前景分析

    隨著下游電子、汽車、通信等行業(yè)需求的穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，集成電路產(chǎn)業(yè)面臨著新型芯片或先進(jìn)制程的產(chǎn)能擴(kuò)張需求，為半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備行業(yè)帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)空間。根據(jù)數(shù)據(jù)，2019 年全球半導(dǎo)體制造設(shè)備銷售額達(dá)到 598 億美元，比 2018 年的 645 億美元的歷史高點(diǎn)有所下降。全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)經(jīng)歷了 2019 年的調(diào)整后，短期內(nèi)還可能受到新冠疫情的影響，但長(zhǎng)期來(lái)看半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)不會(huì)改變。

    同時(shí)，近年來(lái)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移趨勢(shì)明顯，將為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備行業(yè)帶來(lái)良好的發(fā)展契機(jī)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)是半導(dǎo)體設(shè)備的最大市場(chǎng)，中國(guó)大陸保持其第二大設(shè)備市場(chǎng)的地位，預(yù)計(jì)未來(lái)我國(guó)大陸地區(qū)半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)仍將保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)產(chǎn)化也會(huì)推動(dòng)行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，而全球先進(jìn)制程工藝已經(jīng)逼近物理極限，清洗設(shè)備技術(shù)進(jìn)步逐漸放緩，也將為國(guó)內(nèi)企業(yè)的發(fā)展提供更為良好的發(fā)展機(jī)遇，而國(guó)內(nèi)的集成電路制造相比之下還處于較低的水平，集成電路產(chǎn)業(yè)升級(jí)空間巨大，未來(lái)我國(guó)的半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率預(yù)計(jì)將穩(wěn)定增長(zhǎng)。

    另一方面，為了進(jìn)一步提高集成電路容量和性能，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)開(kāi)始3D化，此時(shí)清洗效果不能僅僅停留在表面，還需要在無(wú)損情況下清洗內(nèi)部污染物，這帶來(lái)了清洗設(shè)備的價(jià)升。技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力將長(zhǎng)期存在，因此對(duì)于半導(dǎo)體晶圓清洗設(shè)備市場(chǎng)的拓展將長(zhǎng)期持續(xù)。