半導體清洗設備行業(yè)研究匯報1.清洗設備：清洗環(huán)節(jié)貫穿芯片生產各環(huán)節(jié)，濕法清洗為主流技術路線1.1清洗環(huán)節(jié)貫穿芯片生產各環(huán)節(jié)，是芯片良率重要保障清洗是半導體制程的重要環(huán)節(jié)，也是影響半導體器件良率的最重要的原因之一。清洗是晶圓加工制造過程中的重要一環(huán)，為了最大程度減少雜質對芯片良率的影響，在實際生產過程中不僅需要保證高效的單次清洗，還需要在幾乎所有的制程前后都進行頻繁的清洗，在單晶硅片制造、光刻、刻蝕、沉積等關鍵制程工藝中均為必要環(huán)節(jié)。1)硅片制造過程中，通過拋光處理后的硅片，需要通過清洗過程來保證其表面的平整度和性能，進而提高在后續(xù)工藝中的良率。2)晶圓制造過程中，晶圓通過光刻、刻蝕、離子注入、去膠、成膜以及機械拋光等關鍵工序前后都需要進行清洗，以清除晶圓沾染的化學雜質，減少缺陷率，提高良率。3)芯片封裝過程中，芯片需要根據封裝工藝進行TSV(硅穿孔)清洗、UBM/RDL(凸點底層金屬/薄膜再分布技術)清洗以及健合清洗等。硅片在進入每道工序之前表面必須是潔凈的，需通過反復多次的清洗環(huán)節(jié)，除去表面的污染物。芯片制造需要在無塵室中進行，在芯片的制造過程中，任何的沾污現象都將影響芯片上器件的正常功能。沾污雜質詳細指半導體制造過程中引入的任何危害芯片成品率以及電學性能的物質。詳細的沾污物包括顆粒、有機物、金屬和自然氧化層等，此類污染物包括從環(huán)境、其他制造工藝、刻蝕副產物、研磨液等。上述沾污雜質假如不及時清理均也許導致后續(xù)工藝的失敗，導致電學失效，最終會導致芯片報廢。清洗環(huán)節(jié)數量是芯片制造工藝環(huán)節(jié)占比最大的工序，約占所有芯片制造工序環(huán)節(jié)的30%以上。伴隨半導體制造技術節(jié)點的進步，清洗工序的數量和重要性將繼續(xù)提高。在半導體芯片工藝技術節(jié)點進入28nm、14nm以及更先進等級后，工藝流程的延長且越趨復雜，產線成品率也會隨之下降。導致這種現象的一種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。處理的措施重要是增長清洗環(huán)節(jié)。每個晶片在整個制造過程中需要甚至超過200道清洗環(huán)節(jié)，晶圓清洗變得愈加復雜、重要及富有挑戰(zhàn)性。1.2濕法清洗是主流清洗技術路線根據清洗的介質不一樣，清洗技術可以分為濕法清洗和干法清洗兩種。濕法清洗是指運用溶液、酸堿、表面活性劑、水及其混合物，通過腐蝕、溶解、化學反應等措施，使硅片表面的雜質與溶劑發(fā)生化學反應生成可溶性物質、氣體或直接脫落，以獲得滿足潔凈度規(guī)定的硅片。干法清洗是指不依賴化學試劑的清洗技術，包括等離子體清洗、氣象清洗等。晶圓制造產線上一般以濕法清洗為主，是目前市場上的主流清洗措施。1.2.1濕法清洗濕法清洗采用液體化學試劑和DI水氧化、蝕刻和溶解晶片表面污染物、有機物及金屬離子污染。一般采用的濕法清洗有RCA清洗法、稀釋化學法、IMEC清洗法和單晶片清洗等。1)RCA通用清洗法：RCA清洗法依托溶劑、酸、表面活性劑和水，在不破壞晶圓表面特性的狀況下通過噴射、凈化、氧化、蝕刻和溶解晶片表面污染物、有機物及金屬離子污染。在每次使用化學品后都要在超純水（UPW）中徹底清洗。2)化學稀釋法：在RCA清洗的基礎上，對SC1、SC2混合物采用稀釋化學法可以大量節(jié)省化學品及DI水的消耗量。并且SC2混合物中的H2O2可以完全去掉。稀釋APMSC2混合物（1:1:50）可以有效地從晶片表面清除顆粒和碳氫化合物。強烈稀釋HPM混合物（1:1:60）和稀釋HCI（1:100）在清除金屬時可以像原則SC2液體同樣有效。采用稀釋HCI溶液的此外一種長處是，在低HCI濃度下顆粒不會沉淀。采用稀釋RCA清洗法可以使所有化學品消耗減少86%。稀釋SC1,SC2溶液及HF補充兆聲攪動后，可以減少槽中溶液使用溫度，并優(yōu)化了多種清洗環(huán)節(jié)的時間，因此導致槽中溶液壽命加長，使化學品消耗量減少80-90%。試驗證明采用熱的UPW替代涼的UPW可以使UPW消耗量減少75-80%。此外，多種稀釋化學液體由于低流速或清洗時間的規(guī)定可大大節(jié)省沖洗用水。3)IMEC清洗法：①第一步，清除有機污染物，生成一薄層化學氧化物以便有效清除顆粒。一般采用硫酸混合物。②第二步，清除氧化層，同步清除顆粒和金屬氧化物。Cu,Ag等金屬離子存在于HF溶液時會沉積到Si表面。其沉積過程是一種電化學過程，在光照條件下，銅的表面沉積速度加緊。③第三步，在硅表面產生親水性，以保證干燥時不產生干燥斑點或水印。一般采用稀釋HCL/O3混合物，在低pH值下使硅表面產生親水性，同步防止再發(fā)生金屬污染，并且在最終沖洗過程中增長HNO3的濃度以減少Ca表面污染。4)單晶片清洗：大直徑晶片的清洗采用上述措施不好保證其清洗過程的完畢，一般采用單晶片清洗法。其清洗過程是在室溫下反復運用DI-O3/DHF清洗液，臭氧化的DI水（DI-O3）產生氧化硅，稀釋的HF蝕刻氧化硅，同步清除顆粒和金屬污染物。根據蝕刻和氧化的規(guī)定采用較短的噴淋時間就可獲得好的清洗效果，不會發(fā)生交叉污染。最終沖洗不是采用DI水就是采用臭氧化的DI水。為了防止水漬，采用濃縮大量氮氣的異丙基乙醇（IPA）進行干燥處理。單晶片清洗具有或者比改良的RCA清洗更好的清洗效果，清洗過程中采用DI水及HF的再循環(huán)運用，減少化學品的消耗量，提高晶片成本效益。1.2.2干法清洗干法清洗采用氣相學法清除晶片表面污染物。氣相化學法重要有熱氧化法和等離子清洗法，清洗過程就是將熱化學氣體或等離子態(tài)反應氣體導入反應室，反應氣體與晶片表面發(fā)生化學反應生成易揮發(fā)性反應產物被真空抽去。在CI包容環(huán)境中退火是一種經典的熱氧化過程，在氧化爐中進行，氬（Ar）濺射一般在濺射淀積前現場進行。干法清洗的長處在于清洗后無廢液，可有選擇性的進行局部處理。此外，干法清洗蝕刻的各向異性有助于細線條和幾何特性的形成。但氣相化學法無法有選擇性的只與表面金屬污染物反應，都不可防止的與硅表面發(fā)生反應。多種揮發(fā)性金屬混合物蒸發(fā)壓力不一樣，在低溫下多種金屬揮發(fā)性不一樣，因此在一定的溫度、時間條件下，不能將所有金屬污染物完全清除，因此干法清洗不能完全取代濕法清洗。試驗證明，氣相化學法可按規(guī)定的原則減少的金屬污染物有鐵、銅、鋁、鋅、鎳等，此外，鈣在低溫下采用基于CL離子的化學法也可有效揮發(fā)。工藝過程中一般采用干、濕法相結合的清洗方式。1.3單片清洗良率高，是目前主流清洗設備在濕法清洗的技術路線下，清洗設備可以分為單片清洗設備、槽式清洗設備、批式旋轉噴淋清洗設備和洗刷器等，其中單片和槽式清洗設備是目前主流的清洗設備。單片清洗是將每一片晶圓送至各個腔體進行單獨噴淋式清洗，這樣輕易控制清洗質量，也可以提高單片晶圓不一樣位臵的清洗均勻度，不過缺陷是清洗效率低下。槽式清洗是將多片晶圓（100-200片）放入清洗槽中，集中起來清洗，此類清洗設備效率高且成本底，不過缺陷是濃度較難控制，也許產生交叉污染。目前，單片清洗在集成電路制造的先進工藝中已逐漸取代槽式清洗成為主流，重要原因包括：（1）單片清洗可以提供更好的工藝控制，提高產品良率；（2）在更大尺寸的晶圓和更先進的工藝對于雜質更敏感，槽式清洗出現交叉污染會危及整批晶圓的良率，會帶來高成本的芯片返工支出；（3）單片槽式組合清洗技術的出現，可以在提高清洗能力及效率的同步，減少硫酸的使用量，協助客戶有效減少成本。2.半導體設備進入上行周期，先進工藝為清洗設備帶來新增長點2.1半導體市場景氣高漲，資本開支上行帶動設備市場高成長在5G、物聯網、汽車電子、云計算等需求的帶動下，半導體市場需求持續(xù)增長。盡管受到疫情的影響，全球半導體市場規(guī)模仍然同比增長6.8%，到達了4404億美元，估計、全球半導體市場規(guī)模分別為5272億美元、5734億美元，同比分別增長19.7%、8.8%。從分地區(qū)來看，亞太市場規(guī)模增速高于全球平均，分別為23.5%、9.2%，在全球市場的占比分別為63%、64%。半導體廠商的資本開支提高將帶動設備市場規(guī)模高成長，根據SEMI記錄，全球半導體設備市場規(guī)模從的318億美元增長至的712億美元，年復合增長率達12.21%，實現同比增長19.15%。估計全球半導體設備市場規(guī)模將增至953億美元，同比增長33.85%，并于超過1000億美元。此外，中國的半導體設備銷售額從的33億美元增長至的187億美元，年復合增長率高達27.70%，遠超全球市場增速。2.2大陸晶圓產能占比持續(xù)提高，有望帶動國產設備需求成長在國家政策的大力扶持以及行業(yè)景氣高漲的帶動下，大陸半導體企業(yè)紛紛提高資本開支，根據ICInsights，截止12月，中國大陸晶圓產能為318萬片/月（折合8寸），在全球占比為15.3%。ICInsights深入指出，伴隨半導體制造硅晶圓產能持續(xù)向中國轉移，估計到2025年產能占比將增長至18%，是唯一一種在至2025年期間產能擁有率增長的地區(qū)。根據SEMI的數據，全球半導體制造商將于和分別新建19、10座晶圓廠，其中中國大陸及中國臺灣各有8個晶圓新廠建設方案，另一方面是美洲6個，歐洲/中東3個，日本和韓國各2個，未來幾年這29座晶圓廠的設備支出估計將超過1400億美元。中國大陸在半導體廠投資規(guī)劃較大，有望大幅帶動上游國產設備需求。2.3清洗設備市場空間大，單片設備將長期占據主體地位在半導體制造設備中，一般包括光刻、刻蝕、薄膜沉積、兩側、清洗、CMP等設備，根據Gartner的數據，清洗設備在晶圓制造設備中的占比大概在4%以上。根據Gartner數據，全球半導體清洗設備市場規(guī)模為34.2億美元，和受全球半導體行業(yè)景氣度下降以及新冠疫情的影響，全球半導體清洗設備市場規(guī)模有所下降，分別為30.5億美元和25.4億美元。估計伴隨全球半導體行業(yè)的復蘇以及全球半導體設備市場規(guī)模提高的拉動，半導體清洗設備市場將展現逐年增長的趨勢，2024年全球半導體清洗設備市場規(guī)模將到達32億美元。從構造來看，單片清洗設備是目前市場的絕對主流，根據Gartner的數據，單片清洗設備、槽式清洗設備、批式旋轉噴淋清洗設備和洗刷器等類型清洗設備的市場份額分別為22.76億美元、5.52億美元、0.13億美元和2.08億美元，占比分別為74.63%、18.10%、0.44%和6.83%。伴隨集成電路特性尺寸的深入縮小，單片清洗設備在40nm如下的制程中的應用會愈加廣泛，未來的占比有望逐漸上升。根據東京電子的預測，單片清洗將長期占據重要市場份額。2.4先進工藝為清洗設備增添新增長機遇除了受益于半導體行業(yè)景氣周期上行，半導體工藝升級也將為清洗設備帶來新增長機遇，伴隨芯片先進制程的進步以及芯片構造的復雜化，清洗設備市場有望量價提高。1)伴隨半導體技術的不停進步，半導體器件集成度不停提高，清洗的環(huán)節(jié)大幅提高。90nm的芯片清洗工藝約90道，到了20nm清洗工藝到達215道。伴隨芯片進入16nm以及7nm如下，清洗工藝的道數將會加速增長。2)另首先半導體晶圓的尺寸卻不停擴大，主流晶圓尺寸已經從4英寸、6英寸，發(fā)展到現階段的8英寸、12英寸。此外，半導體器件的構造也趨于復雜。例如存儲器領域的NAND閃存，根據國際半導體技術路線圖預測，當工藝尺寸抵達14nm后，目前的Flash存儲技術將會到達尺寸縮小的極限，存儲器技術將從二維轉向三維架構，進入3D時代。3DNAND制造工藝中，重要是將本來2DNAND中二維平面橫向排列的串聯存儲單元改為垂直排列，通過增長立體層數，處理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(fā)展。3D存儲技術的提高，在清洗晶圓表面的基礎上提出了更高的規(guī)定，即在無損狀況下清洗立體內部沾污，對清洗設備提出了更高的規(guī)定，清洗設備的單臺價值將不停上升。3.日系廠商領跑清洗設備市場，國產替代進展順利3.1日系廠商領跑清洗設備，國內廠商替代進展順利全球半導體清洗設備高度集中于日本企業(yè)。根據Gartner數據，全球半導體清洗設備行業(yè)的龍頭企業(yè)重要是迪恩士、東京電子(TEL)、韓國SEMES、拉姆研究等等。其中，迪恩士處在絕對領先地位，占據了全球半導體清洗設備45.1%的市場份額，東京電子、SEMES和拉姆研究分別占據約25.3%、14.8%和12.5%。a)迪恩士：成立于1943年，總部位于日本東京，是日本半導體專用設備和LED生產設備企業(yè)，客戶遍及日本、韓國和中國臺灣地區(qū)。企業(yè)產品重要包括半導體設備、顯示設備、PCB設備等。半導體設備產品重要有清洗機、蝕刻、顯影/涂布等，其中清洗設備在半導體業(yè)界具有極高的市占率，全球市占率超過45%，全球第一。b)東京電子：成立于1963年，總部位于日本東京，是日本最大的半導體制造設備提供商，重要從事半導體設備的研發(fā)、生產和銷售，產品幾乎覆蓋了半導體制造流程中的所有工序。其重要產品包括涂布/顯像設備、熱處理成膜設備、干法刻蝕設備、CVD、濕法清洗設備及測試設備，其清洗設備全球份額到達25.3%。c)拉姆研究：成立于1980年，總部位于美國加尼福尼亞州弗里蒙特，是向全球半導體提供晶圓制造設備和服務的重要供應商之一。該企業(yè)的重要產品包括用于制造集成電路的刻蝕設備、氣相沉積設備、電鍍設備、清洗設備等半導體加工設備。其清洗設備全球份額達12.5%。我國半導體清洗領域的重要參與者包括至純科技、盛美半導體、北方華創(chuàng)、芯源微等，國內半導體清洗廠商起步比海外雖然較晚，追趕勢頭強勁：（1）至純科技擁有8-12英寸高階單晶圓濕法清洗設備和槽式濕法清洗設備的有關技術，產品覆蓋晶圓制造、先進封裝、太陽能等多種下游應用。企業(yè)濕法設備有槽式和單片式（8~12反應腔）兩種，可以提供到28納米節(jié)點所有濕法工藝，已經切入中芯國際、華虹集團等一線顧客，單片式濕法設備已獲得國內重要顧客多種訂單。（2）盛美半導體是國內半導體清洗設備的龍頭，在12寸線清洗設備處在行業(yè)領先地位，產品線豐富，清洗設備營收體量國內最大。企業(yè)重要產品為集成電路領域的單片清洗設備，其中包括單片SAPS兆聲波清洗設備、單片TEBO兆聲波清洗設備、單片背面清洗設備、單片前道刷洗設備、槽式清洗設備、單片槽式組合清洗設備等。（3）北方華創(chuàng)是國內半導體設備龍頭，產品線豐富，包括刻蝕機、PVD、CVD、ALD、氧化/擴散爐、退火爐、清洗機，企業(yè)通過收購美國半導體設備生產商LLC完善了清洗設備產線，目前企業(yè)重要清洗設備產品為單片和槽式清洗設備，可合用于技術節(jié)點為65nm、28nm工藝的芯片制造。（4）芯源微目前產品重要產品包括光刻工序涂膠顯影設備（涂膠/顯影機、噴膠機）和單片式濕法設備（清洗機、去膠機、濕法刻蝕機），企業(yè)生產的前道清洗機設備目前已到達國際先進水平，成功實現進口替代，已經在中芯國際、上海華力、廈門士蘭集科等多種客戶處通過工藝驗證，并獲得國內多家Fab廠商的批量反復訂單。根據中國國際招標網信息，根從~H1中國主流晶圓廠清洗設備招標采購份額來看，我國半導體清洗設備的國產化率已經維持在10%~20%，突破最快，國產化率超過了其他大部分設備。不過從整體來看，國內企業(yè)規(guī)模和產品技術實力、著名度等與國際著名企業(yè)仍然存在較大差距。未來伴隨國內半導體產業(yè)的發(fā)展以及國家政策的大力支持，國產替代趨勢正在加速，國內清洗設備企業(yè)有望迅速成長。3.2大基金二期加大設備投資，國產替代進程有望加速9月，國家集成電路產業(yè)基金一期成立，根據不完全記錄，第一期大基金投資的企業(yè)包括：晶圓制造商中芯國際、長江存儲、士蘭微等，封裝測試廠長電科技、華天科技、通富微電，IC設計廠紫光集團、納思達、國科微、中盛科網絡、興微電子、兆易創(chuàng)新、匯頂科技、景嘉微等；設備制造商中微半導體、北方華創(chuàng)、長川科技等；材料商鑫華半導體、新昇半導體、安集微電子、雅克科技等。國家大基金二期于10月22日注冊成立，注冊資本為2041.5億元。大基金二期是一期的延續(xù)，相比于一期的規(guī)模擴大了45%。根據大基金一期的細分產業(yè)投資占比，可以看得出來，一期重要側重的是晶圓代工、設計和封測等重要的產業(yè)大環(huán)節(jié)布局，而半導體材料和設備則投資較少，我們估計二期將會加大對上游設備和材料的投資，例如薄膜設備、測試設備、清洗設備、化學機械研磨設備等國產裝備領域，尚有光刻膠、靶材、硅片等半導體材料領域。根據國家大基金二期數據，大基金二期將從3個方面重點支持國產設備與材料發(fā)展1)二期基金將對在刻蝕機、薄膜設備、測試設備和清洗設備等領域已布局的企業(yè)保持高強度的持續(xù)支持，培育中國大陸“應用材料”或“東電電子”的企業(yè)苗子。2)加緊開展光刻機、化學機械研磨設備等關鍵設備以及關鍵零部件的投資布局，彌補國產工藝設備空白。3)督促制造企業(yè)提高國產裝備驗證及采購比例，為更多國產設備、材料提供工藝驗證條件。從近期大基金二期的動作來看，投資了包括中微企業(yè)、北方華創(chuàng)、至微科技（至純科技子企業(yè)）、長川智能（長川科技子企業(yè)）等國內的半導體設備企業(yè)，對設備的投資力度相比一期明顯加大。伴隨國家大基金二期加大對上游設備的投資，加速設備的國產替代趨勢，國內設備廠商將迎來發(fā)展良機。4.重點企業(yè)分析4.1至純科技：清洗賽道佼佼者，清洗設備步入加速成長期至純科技成立于，目前主營業(yè)務包括高純工藝系統、半導體濕法清洗設備、光傳感應用及光學元器件，3塊業(yè)務的占比分別為61.8%、15.6%和22.5%。在高純工藝系統方面，根據公告，通過20數年深耕，企業(yè)在高純工藝系統領域已經形成從研發(fā)、設計、供應鏈到制造一體化，制程方面，覆蓋了28~65nm的設備，有14nm的技術儲備。目前企業(yè)重要服務于一線IC晶圓廠，包括三星、海力士、臺積電、中芯、華虹、長存、長鑫、士蘭微等半導體頭部客戶。在濕法裝備領域，企業(yè)于成立獨立的半導體濕法事業(yè)部，產品腔體、設備平臺設計與工藝技術都和國際一線大廠路線一致，采用先進二流體產生的納米級水顆粒技術，能高效清除微粒子的同步，還可以防止兆聲波的高成本。根據企業(yè)公告，企業(yè)目前的濕法設備有槽式和單片式（8~12反應腔）兩種，可以提供到28納米節(jié)點所有濕法工藝；今年上六個月企業(yè)在更先進的14nm~7nm技術世代已接到4臺套機臺多種工藝的正式訂單，將于交付至客戶產線驗證。在技術儲備上，企業(yè)將持續(xù)投入資源開發(fā)符合高階工藝應用的設備（如多反應腔、18腔等），企業(yè)的濕法工藝設備的子系統包括藥液循環(huán)系統、溫控系統、傳送系統、自動控制系統、通信系統、傳感控制系統、氣體流場設計、反應藥液回收環(huán)設計等。從客戶來看，企業(yè)濕法設備已經切入一線顧客，顧客有中芯國際、華虹集團、長鑫存儲、華為、華潤、燕東、臺灣力晶等等，均為所在下游行業(yè)的領先者。其中企業(yè)單片濕法設備獲得國內重要顧客的多種訂單，高溫硫酸、晶背清洗、后段去膠、長膜前單片機型入選，深入彌補國產裝備在濕法清洗領域的空白。從企業(yè)的財務數據來看，企業(yè)總體業(yè)績展現高速成長趨勢，從的6.7億增長至的14億元；企業(yè)歸母凈利潤從的0.3億元增長至的2.6億元。前三季度，企業(yè)實現營業(yè)總收入為12.83億元，同比增長68.71%。歸母凈利潤1.88億元，同比增長127.96%，扣非歸母凈利潤8052.68萬元，同比增長97.55%。在訂單方面，根據企業(yè)互動平臺數據，截至三季報匯報期內，企業(yè)濕法部門的目前訂單已經超過8億，其中新增單片設備訂單超4億元，前三季度訂單已經超越了整年水平。10月，企業(yè)子企業(yè)至微科技通過增資擴股引入了包括大基金二期、中芯聚源、裝備材料基金、遠致星火、芯鑫鼎橡等股東，本次戰(zhàn)投股東名單涵蓋了國內優(yōu)秀的半導體投資基金，表明了市場對于企業(yè)未來發(fā)展前景的看好。通過本次增資，企業(yè)不僅增強了資金實力，尚有助于企業(yè)與國內頭部半導體企業(yè)加強產業(yè)合作，企業(yè)半導體清洗設備發(fā)展有望加速。4.2盛美股份：國內半導體清洗設備領跑者盛美成立于，是具有世界領先技術的半導體設備制造商，企業(yè)的SAPS技術研發(fā)成功，SAPS清洗設備進入韓國海力士開展產品驗證，企業(yè)用于12英寸45nm工藝的SAPS清洗設備初次獲得海力士的訂單。后企業(yè)順利獲得了長江存儲、中芯國際及華虹集團的訂單。及，企業(yè)TEBO技術和Tahoe技術分別研發(fā)成功，在半導體清洗設備領域的技術和產品線愈加豐富。目前，企業(yè)在半導體清洗設備領域已經成功進入了全球一線半導體制造企業(yè)的生產線。企業(yè)重要產品包括半導體清洗設備、半導體電鍍設備和先進封裝濕法設備等。其中清洗設備包括單片清洗、槽式清洗以及單片槽式組合清洗等清洗設備；電鍍設備包括用于芯片制造的前道銅互連電鍍設備、后道先進封裝電鍍設備。此外，企業(yè)還開發(fā)了用于先進封裝的濕法刻蝕設備、涂膠設備、顯影設備、去膠設備、無應力拋光設備及立式爐管系列設備等。