半导体清洗设备：筑芯片良率保障墙，看国产品牌角逐差异化.pdf

智能制造行业专题报告（八） 半导体清洗设备：筑芯片良率保障墙，看国产品牌角逐差异化 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 行业报告 智能制造 2020 年 8 月 31 日 强于大市 （ 维持 ） 行情走势图 相关研究报告 智能制造行业专题报告 （ 五 ）： 锂电设备：分化还未定型 ,淘汰正在发生 ,宜居危而思安 2018-11-27 智能制造行业专题报告（六） ： 超快激光，能量激光领域的下一个制高点 2019-4-24 智能制造行业专题报告（ 七 ） ： 3D 打印产业链全梳理 ， 高成长赛道的机遇和挑战 2019-7-31 证券分析师 胡小禹 投资咨询资格编号 S1060518090003 021-38643531 HUXIAOYU298PINGAN 吴文成 投资咨询资格编号 S1060519100002 021-20667267 WUWENCHENG128PINGAN 半导体清洗：芯片制造的重要环节，物理辅助方法是工艺难点。 半导体清洗对于芯片制造意义重大，如果清洗不达要求，残留的沾污杂质将导致芯片失效。半导体清洗贯穿硅片制造、晶圆制造、封装三大环节。半导体清洗方法分为湿法清洗和干法清洗， 目前 湿法清洗占据 90%以上的份额。湿法清洗可选用化学药液清洗，同时辅以物理方法辅助，如洗刷器、超 /兆声波、旋转喷淋、二流体等方法。清洗过程中，化学药液基本相同，辅助方法往往成为不同工艺的主要差别，也成为半导体清洗工艺的主要难点。 清洗设备： 高价值、高毛利， 芯片良率的重要保障。 半导体清洗设备 是芯片制造良率的重要保障， 主要分为 单片设备和槽式设备 两类 。在 40nm 及以下的先进工艺中，单片清洗设备凭借无交叉污染和良率优势，已替代槽式设备成为主流。不同的清洗方法往往构成不同设备厂家的核心竞争力，相关厂家通过专利对各自的技术路线进行保护。对于同一类型、相同清洗方法的设备而言，不同的硬件组合和工艺方案，也会产生明显的设备性能差别。清洗设备单台价值量和利润率均非常高，以盛美为例，其单片清洗设备单价超过 2500 万元，毛利率约 45%。 全球格局：全球市场超 30亿美元， 日本 迪恩士是绝对龙头。 2019 年全球半导体清洗 设备市场超 30 亿美元，占全部设备的 5%。其中单片、槽式设备占比分别为 75%、 18%。随着芯片工艺节点不断缩小 ，及芯片 结构的复杂化（ 2D 转向 3D），清洗设备市场有望量价齐升。竞争格局方面， 全球领先企业包括 迪恩士、东京电子、拉姆研究， 2019 年全球份额分别为 50%、27%、 12%，迪恩士是绝对龙头。盛美股份、北方华创 是国产设备商代表，2019 年 的 全球份额分别为 3%、 1%。 国产替代：差异化路线追赶，国内份额快速提升。 海外巨头清洗设备多采用旋转喷淋技术，国内设备厂商采取差异化路线，积极研发兆声波、二流体等技术 进行 追赶。盛美股份在单片清洗设备、北方华创在槽式清洗设备中已经取得成效。 2019 年清洗设备国产化率 达到 约 13%。长江存储第14-38 批清洗设备招标中，盛美股份、北方华创分别获得 20%、 2%的份额，高于其全球平均水平。截至 2019 年底，中国大陆共有 14 条 8 英寸及以上的产线在建， 12 条线产能正在爬坡， 7 条线 规划中 。受益于大陆芯片厂的扩产大潮，国产清洗设备商 的 份额 有望 快速提升。 投资建议： 国产半导体清洗设备厂商迎来行业扩容和国产替代的重要机遇：一方面，随着芯片工艺的进步及芯片结构的复杂化，清洗设备量价齐升，行业规模有 望扩容；另一方面，受益于国内芯片产线的加速建设和产能爬坡，国内清洗设备厂商通过差异化路线追赶，份额有望快速提升。建议关注国产半导体清洗设备代表盛美股份、北方华创、至纯科技和芯源微。 -20%0%20%40%60%Aug-19 Nov-19 Feb-20 May-20沪深 300 智能制造证券研究报告 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 2 / 22 风险提示： 1）全球半导体周期向下风险。若半导体行业周期向下，全球半导体厂商资本开支下滑，将影响全球半导体设备公司业绩。 2）国内晶圆厂投资不及预期风险。如果大陆晶圆厂投资落地数量或进度不及预期， 半导体清洗设备公司 订单将 不达预期。 3）国内设备公司技术进步不及预期 风险 。半导体清洗设备行业门槛高，技术难度大，如果国产设备企业技术研发不足或技术突破不及预期，将影响国产替代的节奏。 4）竞争加剧的风险。随着大陆市场的快速成长，外资巨头加大对大陆市场的重视程度，半导体清洗设备市场竞争可能加剧，影响到国内相关公司的发展。 股票名称 股票代码 股票价格 EPS P/E 评级 2020-08-28 2019A 2020E 2021E 2022E 2019A 2020E 2021E 2022E 北方华创 002371 190.74 0.62 0.87 1.12 1.46 305.59 218.17 170.83 130.47 推荐 芯源微 688037 114.70 0.35 0.62 0.92 1.46 329.10 183.70 124.32 78.42 未评级 至纯科技 603690 40.40 0.43 0.76 1.13 1.59 93.95 53.49 35.66 25.45 未评级 盛美股份 A20142 - 0.35 0.55 0.84 1.22 - - - - 未评级 资料来源 ： wind， 未评级公司参考 wind 一致预期 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 3 / 22 正文目录 一、 序言 .5 二、 半导体清洗，芯片制造的重要环节 .5 1.1 污染源：颗粒、金属、有机物等沾污，芯片良率下降的罪魁 . 5 1.2 清洗方法：湿法清洗占据主导，物理方法决定工艺难度 . 7 1.3 本章 小结 . 10 三、 清洗设备：全球市场超 30 亿美元， DNS 是绝对龙头 . 11 2.1 清洗设备：芯片良率的重要保障，单片设备成为主流 . 11 2.2 全球市场规模超 30 亿美元， DNS 是绝对龙头 . 13 2.3 本章小结 . 15 四、 国产替代：差异化路线追赶，国内份额快速提升 .16 3.1 差异化路线研发，国产单片、槽式清洗设备全方位追赶 . 16 3.2 大陆芯片厂开启扩建大潮，清洗设备加速国产替代 . 17 3.3 本章小结 . 20 五、 投资建议 .20 六、 风险提示 .20 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 4 / 22 图表 目录 图表 1 主要污染物、来源及主要危害 . 5 图表 2 半导体清洗主要用于芯片制造的三大环节 . 6 图表 3 晶圆制造环节中清洗步骤最多 . 7 图表 4 IMEC 清洗技术路线图 . 8 图表 5 盛美股份兆声波清洗设备原理图 . 9 图表 6 旋转喷淋法原理示意图 . 9 图表 7 几种清洗方法对比分析 . 10 图表 8 几种清洗设备对比分析 . 11 图表 9 单片清洗和槽式清洗原理示意图 . 11 图表 10 批示旋转喷淋法原理示意图 . 12 图表 11 单片槽式组合清洗设备原理示意图 . 12 图表 12 2019 年全球半导体设备结构 . 13 图表 13 全球清洗设备市场规模超 30 亿美元 . 13 图表 14 单片清洗设备是主流设备 . 14 图表 15 工艺进步带来清洗步骤的增加 . 14 图表 16 存储技术正从 2D 向 3D转变 . 14 图表 17 2019 年全球清洗设备竞争格局 . 15 图表 18 2019 年单片 清洗设备竞争格局 . 15 图表 19 2019 年槽式清洗设备竞争格局 . 15 图表 20 几种清洗方法对比分析 . 16 图表 21 全球半导体设备销售额年度值 . 17 图表 22 全球半导体设备销售额季度值 . 17 图表 23 中国大陆半导体设备销售额年度值 . 18 图表 24 中国大陆半导体设备销售额季度值 . 18 图表 25 中国大 陆 8 英寸及以上规划、在建、产能爬坡的产线项目（截至 2019 年底） . 18 图表 26 长江存储清洗设备中标份额（ 14-38批） . 20 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 5 / 22 一、 序言 半导体清洗 ，用于去除芯片生产中产生的各种沾污杂质 ，是芯片制造 中步骤最多的工艺。每一步光刻、刻蚀、沉积、离子注入 、 CMP（化学机械抛光） 后均需要清洗。 长久以来， 半导体清洗设备 没有光刻机、刻蚀机、沉积设备的耀眼光芒，常 常被人们所忽视 ，甚至 有人认为 ，芯片 生产中所用的清洗设备，并不具有很高的技术门槛 。事实真的如此吗？半导体清洗设备是好的投资赛道吗？ 国产替代进度又如何？本文将从半导体清洗工艺、清洗设备技术难度、市场空间、竞争格局 等角度，来探讨上述问题 。 二、 半导体清洗，芯片 制造的重要环节 1.1 污染源： 颗粒、金属、有机物等沾污，芯片 良率 下降 的罪魁 芯片 制造需要在无尘室中进行，如果在制造过程中，有沾污现象，将影响芯片上器件的正常功能。沾污 杂质 是指半导体制造过程中引入的任何危害芯片成品率及电学性能的物质。 沾污杂质 导致芯片电学失效，导致芯片报废。据估计， 80%的芯 片电学失效都是由沾污带来的缺陷引起的 。通常，无尘室中的 沾污杂质 分为六 类： 颗粒： 颗粒是能粘附在硅片表面的 小物体，颗粒能引起电路开路或短路。从尺寸上来说，半导体制造中，颗粒必须小于最小器件特征尺寸的一半 ， 大于这个尺寸的颗粒会引起致命 缺陷。从数量上 来说，硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数，颗粒数 越多，产生致命缺陷的可能性 也越大 。一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数，术语表征为每步每片上的颗粒数（ PWP） ，随着先进制程的进步， PWP 指标要求越来越高 。 金属杂质： 危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，如钠、钾、锂 等 ； 重金属也会导致金属污染，如铁、铜、铝、铬、钨、钛 等 。金属 杂质 可能来自化学溶液或者半导体 制造中的各种工序，如离子注入等 ， 也 可能来自化学品 与 传输管道和容器的反应。 有机物沾污： 有机物主要指包含碳的物质， 它 们可能来自 于 细菌、润滑剂、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。 自然氧化层： 如果硅片被暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片 的表面将被氧化，这一薄氧化层被称为自然氧化层。自然氧化层一方面妨碍其他工艺步骤，如单晶薄膜的生长；另一方面增加接触电阻，减少甚至 阻止电流流过。 牺牲层： 为了形成半导体微机结构的空腔或可活动的微结构， 往往需要牺牲层支持，牺牲层起分层作用， 当上层膜形成后，需要将此层腐蚀掉。牺牲 层若未被清洗干净 ，将造成器件电性失效。 抛光残留物： 要获得质量好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。抛光过后，残留物对后续工艺会造成较大影响，因此需要及时清洗。 图表 1 主要污染物 、 来源及主要危害 污染物 来源 主要危害 颗粒 环境，其他工艺工程中产生 影响后续光刻 、 干法刻蚀工艺，造成器件短路 自然氧化层 环境 影响后续氧化 、 沉积工艺，造成器件电性失效 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 6 / 22 金属污染 环境，其他工艺工程中产生 影响后续氧化工艺，造成器件电性失效 有机物 干法刻蚀副产物，环境 影响后续沉积工艺，造成器件电性失效 牺牲层 氧化 /沉积工艺 影响后续特定工艺，造成器件电性失效 抛光残留物 研磨液 影响后续特定工艺，造成器件电性失效 资料来源： 盛美股份招股书 ， 平安证券研究所 半导体清洗 指对晶圆表面进行无损伤清洗 ， 用于去除半导体硅片制造、晶圆制造和封装测试每个步骤中可能产生 的 杂质 ，避免杂质影响芯片良率和性能。 清洗 工艺 贯穿 整个 半导体 生产过程 ： 1） 在硅片制造环节， 经抛光后的硅片，需要通过清洗工艺保证其表面的平整度和性能，从而提高在后续工艺中的良率。 2） 在晶圆制造环节， 晶圆经过光刻、刻蚀、沉积等关键工序前后均需要清洗，去除晶圆沾染的化学杂质，减小缺陷率。 3） 在芯片封装阶段， 芯片需要根据封装工艺进行 TSV（ 硅穿孔 ） 清洗、 UBM/RDL（ 凸点底层金属/薄膜再分布 技术 ） 清洗。 图表 2 清洗 在 芯片制造 中的应用 资料来源： 盛美股份招股书 ， 平安证券研究所 三大环节中 ， 晶圆制造环节 的 清洗步骤最多 ， 清洗设备运用也最多 ， 几乎每一步光刻 、 刻蚀 、 沉积 、离子注入 、 CMP（化学机械抛光） 均需要经历清洗工艺 。 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 7 / 22 图表 3 晶圆制造环节中清洗步骤最多 资料来源： DNS， 平安证券研究所 1.2 清洗方法：湿法清洗占据主导 ，物理方法决定工艺难度 根据清洗介质不同，半导体清洗技 术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。目前湿法清洗是主流的 技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的 90%以上。 湿法清洗是针对不同的工艺需求，采用特定化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质，可同时采用超声波、加热、真空等 物理方法 。 干法清洗指不使用化学溶剂的清洗技术，主要包括等离子清洗、超临界气相清洗、束流清洗等。 1） 湿法清洗 化学方法 湿法清洗可以进一步 分为化学方法和物理方法。化学方法采用化学液实现清洗，随着工艺的改进，化学清洗方法朝着减少化学液的使用量和减少清洗步骤两个方向发展。化学清洗方法包括包括 RCA、改进 RCA、 IMEC 等。 RCA 清洗： 由美国无线电 公司 （ RCA）于 20 世纪 60 年代提出 ，目前被认 为 是 工业标准湿法清洗工艺 。 该方法 主要由一系列有序侵入不同的化学液组成，即 1号标准液（ SC1）和 2号标准液（ SC2）。1号标准液化学配料为： NH4OH： H2O2： H2O(1:1:5） ， 2号标准液化学配料为： HCL： H2O2： H2O(1:1:6)。 改进 RCA清洗 ： RCA清洗使用了大量的化学液， 实际应用 中被做了改进。改进 RCA 清洗 方法 主要 稀释 了 化学液， SC1 化学液比例 由 传统的 1:1:5 稀释为 1:4:50。稀释化学液 对人体健康安全有很多改善 ，同时减少了化学液的使用，降低 了工厂成本及对环境的污染。 臭氧清洗： 臭氧清洗是一种高效而简单的清洗方法。通过加入臭氧及双氧水到氢氟酸中可有效去除金属离子。 IMEC清洗 ： IMEC（ Interuniversity Microelectronics Center） 在清洗工艺技术中做了大量的研究工作，其中最重要的贡献是应用了稀释的 RCA 清洗技术，并且 IMEC已经描绘出未来的清洗技术发展方向：清洗技术是朝着减少化学液及清洗流程的方向发展。 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 8 / 22 图表 4 IMEC 清洗技术路线图 资料来源： CNKI， 平安证券研究所 2） 湿法清洗 物理方法 物理清洗方法：物理方法通常作为辅助方法，结合化学液实现更好的清洗效果。物理清洗方法包括机械刷洗法、超声波 /兆声波清洗法、二流体清洗法、旋转喷淋法等。 当今半导体清洗工艺，化学药液基本相同，辅助的物理方法往往成为不同工艺的主要差别，也成为半导体清洗工艺的核心难点。 机械刷洗法： 配置 专用刷洗器，利用刷头与晶圆表面的摩擦力 ， 配合去离子水 以达到去除 颗粒 杂质 的清洗方法。 超声波 /兆声波 清洗： 超声波常被用作一种辅助的能量来源，它可以配合 SC1等药液，加强清洗效果。其原理是超声波通过清洗液体传播，液体中的气泡在声波的驱动下，会快速的变大变小，产生冲击力，从而驱动颗粒脱离硅片表面。但当振幅很大时，有些气泡会破裂，在局部产生非常大的冲击力。 超声波的频率是重要的参数， 频率越低，气泡破裂的可能性越大，冲击力越大；频率越高，气泡振幅越 小，来不及破裂就进入缩小周期，同时也减少了气泡数量，降低了冲击力。通常将频率 20-40kHz 称为超声波清洗， 1-4MHz 工艺频率称为兆声 波清洗。随着特征尺寸的减小，冲击力大容易导致图形倒塌，因此常用 的频率为 1-4MHZ，以保 持适当的冲击力。 超声波技术的关键是如何得到均匀的能量，盛美专利技术 SAPS（ Space Alternative Phase Shift， 空间交替相移技术 ） ，通过周期性变化 的 超声波与硅片的距离， 以及 间断性的开关兆声波发生器，使得一定时间内 ，传递到硅片上的总能量相等。克服了超声波能量均匀性难题，在实际运用中效果良好。 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 9 / 22 图表 5 盛美股份 兆声波清洗设备原理图 资料来源： CNKI， 平安证券研究所 旋转喷淋法： 基于喷嘴的清洗方法（ Nozzle based） ，特点是通过不同的喷嘴，喷出不同的药液，例如水柱、水雾等，利用冲击力去除颗粒。冲击力的大小取决于 液体 颗粒的大小以及速度。 该技术的发展 分为两个阶段： 早期的 Jet 工艺： 直接喷水柱到旋转的硅片上，冲击力大，清洗效果不错，但容易导致图形坍塌。 之后推出 Nano Spray 技术 ： 将 N2通入去离子水中，形成水雾，以很高的速度喷到硅片表面，成为去除颗粒的动力，以解决图形坍塌问题。这种技术中，水珠颗粒越大，冲击力越大。 如何得到小且均匀的水珠是关键技术。 水珠的大小主要通过改变喷嘴孔径实现 ， 通过调节 N2的大小也能改变冲击力。 图表 6 旋转喷淋法原理示意图 资料来源： CNKI， 平安证券研究所 二流体清洗方法： 一种精细化的水气二流体雾化喷嘴，在喷嘴的两端分别通入液体介质和高纯氮气，使用高纯氮气为动力，辅助液体微雾化成极微细的液体粒子被喷射至晶圆表面，从而达到去除颗粒的 效果。这样的流体接近液体的密度，接近气体的表面张力以及粘性，适用于 高深宽比结构，或是不能沾水表面的清洗。 智能制造 行业深度报告 请通过合法途径获取本公司研究报告，如经由未经许可的渠道获得研究报告，请慎重使用并注意阅读研究报告尾页的声明内容。 10 / 22 3） 干法 清洗 除湿法清洗外，同样存在几种干法清洗方法，不过运用较少 ，包括： 等离子体基干法清洗： 在强电场作用下，使氧气产生等离子体，迅速使光刻胶气化成为可挥发性气体状态物质并被抽走。 气相清洗： 利用液体工艺中对应物质的气相 等效物与圆片表面的沾污杂质 相互作用。 束流清洗： 利用高能量的 、 呈束流状的物质流 ， 与圆片表面的沾污杂质发生相互作用 ，从而 清除晶圆表面杂质。 图表 7 几种清洗方法对比分析 清洗方法 使用介质 简介 主要厂家 湿法清洗 溶液浸泡法 化学药液 应用广泛，针对不同的杂质可选用不同的化学药液；产能高，同时可进行多片晶圆浸泡工艺；成本低，分摊在每片晶圆上的化学品消耗少；容易造成晶圆之间的交叉污染。 DNS（迪恩士） 、东京电子 旋转喷淋法 N2、去离 子水 减少化学药液使用量，通过改变喷出的水珠大小和调节 N2 大小调整冲击力， 得到小且均匀的水珠是关键技术。 DNS、东京电子、拉姆研究、至纯科技 机械刷洗法 去离子水 成本低，工艺简单，对微米级的大颗粒去除效果好；清洗介质一般为水，应用受到局限；易对晶圆造成损伤。一般用于机械抛光后大颗粒的去除和背面颗粒的去除。 DNS、东京电子 二流体清洗 SC-1 溶液 ,去离子水等 效率高，广泛用于辅助颗粒去除的清洗步骤中；对精细晶圆图形结构有损伤的风险，且对小尺寸颗粒去除能力不足。 芯源微 超声波 /兆声波清洗 化学溶剂加超声辅助 超声波能清除晶圆表面附着的大块污染和颗粒；易造成晶圆图形结构损伤。兆声波对小颗粒去除效果优越，在高深宽比结构清洗中优势明显，精确控制空穴气泡后，兆声波也可应用于精细晶圆图形结构的清洗；造价较高。 盛美股份 、北方华创 批式旋转喷 淋法 高压喷淋去离子水或清洗液 与传统的槽式清洗相比，化学药液的使用量更低；机台占地面积小；化学药液之间存在交叉污染风险，若单一晶圆产生碎片，整个清洗腔室内所有晶圆均有报废风险。 东京电子 干法清洗 等离子清洗 氧气等离子体 工艺简单、操作方便好、表面干净无划伤、；较难控制、造价较高。 - 气相清洗 化学试剂的气相等效物 化学品消耗少，清洗效率高；但不能有效去除金属污染物；较难控制、造价较高。 - 束流清洗 高能束流状物质 技术较新，清洗液消耗少、避免二次污染；较难控制、 造价较高。 - 资料来源： 盛美股份招股书 ， 平安证券研究所 1.3 本章小结 经过以上分析 ， 我们得出以下结论 ：