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芯片制造關鍵一環愈加凸出,中國是未來主戰場

2021-06-29
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 芯片制造 清洗工藝

   近期,美國技術咨詢公司Linx Consulting主辦的Surface Preparation and Cleaning Conference(SPCC)會議上,半導體技術趨勢研究公司 IC Knowledge 就先進制程DRAM、NAND和邏輯芯片的未來發展發表了演講,重點分析了這三種器件制造過程中清洗工藝流程的過去和未來趨勢。

  DRAM方面,其制程已經進化到1x-nm(約為19nm/18nm)、1y-nm(約為17nm/16nm)、1z-nm(約為15nm)。這對清洗工藝提出了更高的要求,工序數明顯增加,已經超過200道,而當制程發展到1+-nm(14nm)以后,將使用浸沒ArF光刻的多patterning,而原來采用EUV光刻的單patterning清洗步驟減少,達到1μ-nm及更高版本以后,必須采用EUV光刻的雙patterning,清洗步驟將顯著增加。在DRAM清洗流程中,晶圓背面和斜面清洗的步驟數最多,電阻剝離后清洗,CMP后清洗僅次于此。

  3D NAND 閃存方面,以三星的V-NAND工藝為例,至少128層,清洗步驟增加很多,而隨著層數增加,清洗步驟不斷增加,如160層為80層兩級重疊結構,276層為96層三級重疊結構,368層為96層四級,512層為128層四級重疊結構,清洗超過250步,主要集中在背面、斜面和CMP后清洗,這些呈現明顯上升趨勢。

  邏輯芯片方面,以臺積電的先進制程節點為例,但隨著節點變小,清洗次數逐步增加,5nm全面引入EUV光刻,ArF多patterning在關鍵層被更改為EUV單patterning,清洗步驟減少。然而,到了1.5nm及更高級制程,由于EUV被迫采用雙patterning,清洗過程復雜起來。在邏輯芯片制造的清洗中,背面和斜面清洗最多,此外,多層布線結構的BEOL清洗次數明顯多于存儲芯片的。

  清洗設備重要性愈加凸出

  清洗工序用于去除芯片制造中各工藝步驟可能存在的雜質,避免雜質影響芯片良率和芯片產品性能。目前,隨著芯片制造工藝先進程度的持續提升,對晶圓表面污染物的控制要求不斷提高,每一步光刻、刻蝕、沉積等重復性工序后,都需要一步清洗工序。清洗不僅應用于芯片制造,其在硅片制造和封裝測試過程中也必不可少。

  可以說,在芯片制造的全部工序流程中,清洗是所有工藝中出現次數最多的,且未來還將進一步增加,因為這是保障芯片良率的關鍵所在。

  按照原理劃分,清洗工藝可分為干法清洗和濕法清洗。在實際生產過程中,一般將濕法和干法兩種結合使用,目前,90%以上的清洗步驟以濕法工藝為主。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、氣相清洗、束流清洗等。以等離子體清洗為例,是通過向等離子體反應系統中通入少量氧氣,在強電場作用下生成等離子體,可使光刻膠迅速氧化生成可揮發性氣體被抽走,具有高效、操作方便等優點,適合應用于去膠后清洗中。

  濕法清洗包括純溶液浸泡、機械擦拭、超聲/兆聲清洗、旋轉噴淋法等。濕法工藝是指采用腐蝕性和氧化性的化學溶劑進行噴霧、擦洗、蝕刻和溶解隨機缺陷,使硅片表面的雜質與溶劑發生化學反應,生成可溶性物質、氣體或直接脫落,并利用超純水清洗硅片表面并進行干燥,以獲得滿足潔凈度要求的硅片。為了提高硅片清潔效果,可以采用超聲波、加熱、真空等輔助技術手段。

  濕法清洗工藝設備主要包括單片清洗設備、槽式清洗設備、組合式清洗設備和批式旋轉噴淋清洗設備等,其中,單片清洗設備是主流。

  在半導體產業40年的發展歷程中,根據摩爾定律,芯片制造商通過縮小制程節點、增加晶圓尺寸來降低成本。然而,300mm向450mm晶圓的過渡一直是設備制造商的痛點。此外,半導體行業正在向3D NAND大規模生產過渡,在這個過程中,線性收縮的物理限制已接近極限。

  隨著大規模集成電路的發展,清洗工藝的重要性和高精度需求愈加凸出。

  一方面,現代微電子技術工業對工藝過程中硅片的清潔度要求越來越高,需要非常專業的清洗設備才能滿足參數要求。在制程節點為35nm時,需要保證硅片表面顆粒及COP密度小于0.1個/平方厘米,表面臨界金屬元素的密度小于109個原子/平方厘米。而現在的7nm則對硅片提出了更高的清潔參數要求。

  另外,經濟效益也要求半導體公司在清潔工藝上不斷突破,提高對于清潔設備的參數要求。隨著工藝節點的不斷縮小,對于那些尋求先進制程芯片的制造商來說,有效的無損清潔將是一個很大的挑戰,尤其是7nm、5nm。芯片制造商不僅能從平坦的晶圓表面除去更小的隨機缺陷,還要適應更復雜3D芯片架構,以免造成損害或材料損失,從而影響良率和營收。

  寡頭壟斷

  盡管清洗設備在半導體設備市場中占比相對光刻機等核心設備較低(約6%-7%),但清洗設備對廠商的良率和經濟效益有著至關重要的影響。因此,作為半導體產業鏈中不可替代的一環,清洗設備有著穩定增長的市場空間。據Gartner統計,2018年全球半導體清洗設備市場規模為34.17億美元,2019和2020年受全球半導體行業景氣度下行的影響,有所下降,分別為30.49億美元和25.39億美元。預計2021年隨著全球半導體業復蘇,全球清洗設備市場將呈逐年增長態勢,到2024年,預計將達到31.93億美元規模。

  在全球清洗設備市場,日本迪恩士公司占據40%以上的市場份額,此外,TEL(日本東京電子)、Lam 和韓國SEMES也占據了較高的市場份額。總體來看,該市場集中度較高。

  迪恩士專注于半導體制造設備,尤其是清洗設備的研發和推廣,開發出了適應于多種環境的各類清洗設備,并在三個主要半導體清洗領域均取得最高市場占有率,依靠技術創新成為了該市場的龍頭。其中,自動清洗臺技術門檻相對低,相對晶圓清洗設備市場參與者更多,但市場份額由迪恩士和東京電子牢牢把持著;洗刷機設備市場也由迪恩士和東京電子兩家公司主導,迪恩士占據60%-70%的份額。

  中國清洗設備廠商市占率較小,主要包括盛美半導體、北方華創、芯源微、至純科技。其中,盛美半導體主要產品為集成電路領域的單片清洗設備,通過自主研發和改進超聲和兆聲清洗技術, 走出了自主創新清洗設備之路;北方華創收購美國半導體設備生產商Akrion Systems LLC后,主要產品為單片及槽式清洗設備;芯源微產品主要應用于集成電路制造領域的單片式刷洗領域;至純科技具備生產 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相關技術。

  中國市場潛力廣大

  雖然中國半導體清洗設備供給端市占率較小,但消費端的規模卻很大,且還在不斷增長中。據測算,2020年,我國晶圓廠對清洗設備的需求達到了高點,約為105億元。而2018至2022年的市場空間將達到424億元。其中,單片晶圓清洗設備也將是國內市場的主流,未來幾年的市場空間為278.7億元。而這一數字還是較為保守的,依據目前的全球性芯片荒狀況,以及中國晶圓廠的擴展步伐來看,實際需求將只多不少。

  據中國國際招標網統計,在集成電路制造廠商長江存儲、華虹無錫、上海華力二期項目累計采購的200多臺清洗設備中,按中標數量對供應廠商排序,依次是迪恩士、盛美、Lam、TEL和北方華創,所占份額依次為48%、20.5%、20%、6%和1%,盛美在國產清洗設備供應商中排名第一,其國內半導體清洗設備行業龍頭地位凸顯。

  北方華創在整合了美國的清洗設備廠商Akrion的技術后,產品覆蓋范圍更廣了,包括單晶圓清洗設備和自動清洗站,應用于成膜前后、拋光、刻蝕等多個環節的清洗工藝中。

  結語

  總體來看,目前的全球半導體清洗設備市場,依然被那幾家傳統巨頭占據著,中國相關廠商要想在市占率方面突破,還需要不斷鉆研,打磨技術和產品,才能在未來競爭中爭奪更多話語權。此外,如果想在先進制程工藝方面有所發展的話,就必須深入了解相應的技術和市場應用發展趨勢,就像前文提到的采用最先進制程存儲器和邏輯芯片所需要的清洗技術和設備。

  綜上,對于全球的半導體清洗設備廠商而言,要想在未來競爭中享有優勢,就必須緊盯以下幾點:一是晶圓代工廠和邏輯芯片廠商不斷布局更小制程節點時所需的產線擴張,需要大量高精度單片晶圓清洗設備;二是對于3D結構的存儲芯片而言,重點是高產能單片晶圓清洗設備和高精度自動清洗臺;三是中國市場,因為這里將是未來全球半導體業的主戰場。

  


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