晶圆清洗设备介绍

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工艺技术

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发布时间：

2026-02-02

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在半导体制造过程中，晶圆清洗是一道至关重要的工序。晶圆在多个制造环节后，表面常附着大量由聚合物、光致抗蚀剂及蚀刻残留物等组成的污染物，这些颗粒与杂质会对后续工艺中芯片的几何特征与电性能造成严重影响。随着半导体工艺节点不断微缩，污染物尺寸逐渐向纳米级发展，去除难度显著增加，晶圆表面残留颗粒数量也随之上升。同时，图形尺寸持续缩小进一步加大了清洗工艺的复杂性。因此，高性能晶圆清洗设备的重要性日益凸显。

一、清洗原理与技术路线

半导体清洗是指在不损伤晶圆表面及结构的前提下，去除附着于晶圆片表面各类污染物的工艺。根据清洗介质的不同，主要分为湿法清洗和干法清洗两种技术路线。目前，湿法清洗占据市场主导地位，约占整体市场份额的85%，在可预见的未来仍将是主流清洗技术。该方法通过液体化学试剂对晶圆表面的污染物进行氧化、蚀刻或溶解，主要可分为刷洗类与化学清洗类。

湿法清洗针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层和化学机械抛光残留物等。刷洗类设备以物理刷洗为核心，能有效清除微米级及以上尺寸的颗粒物。化学清洗类设备则主要包括浸入式清洗槽、兆声波清洗槽和旋转喷淋清洗机等，其工艺基础多源于经典的RCA清洗法及其衍生技术。

干法清洗是近年来发展的新型清洗技术，无需使用液体溶剂，通过气相化学反应或物理离子轰击等方式实现污染物的去除，具有无废液排放、可实现局部选择性清洗等优点，主要包括热氧化法与等离子体清洗法。然而，该技术目前仍处于发展阶段，在如3D NAND堆叠结构清洗、铜互连工艺等复杂场景中，湿法清洗仍然不可替代。

二、主流设备与关键技术

在湿法清洗工艺路线下，根据设备结构可分为槽式清洗机、单片式清洗机、组合式清洗机及批式旋转喷淋清洗机等。其中，单片式清洗设备市场份额最高，已广泛应用于集成电路前道与后道制程，涉及成膜、刻蚀、离子注入、抛光及金属沉积后的多次清洗环节。单片清洗能够实现更精细的工艺控制，提高晶圆间与晶圆内的均匀性，有利于提升产品良率，并避免槽式清洗可能带来的交叉污染风险。

单片式清洗设备通常由主体框架、晶圆传输系统、工艺腔体、化学药液供给与分配系统、以及软件控制与电气模块组成。其核心工艺基于旋转喷淋技术，通过电机驱动晶圆高速旋转，同时向其表面喷淋清洗液，借助离心力使流体均匀覆盖并快速脱离晶圆表面。

一些关键清洗技术在先进制程中尤为重要：高温SPM清洗工艺主要用于去除刻蚀及离子注入后残留的光刻胶及其聚合物；晶圆背面清洗工艺用于清除背面附着的金属等污染物，对保护光刻机等昂贵设备至关重要；纳米喷射清洗技术利用高压气体将液体雾化成极微细的液滴，通过冲击作用去除表面颗粒；兆声波清洗技术则利用高频声波在液体中产生的空化与微流效应，尤其适用于去除小尺寸颗粒及高深宽比结构内部的污染物。

三、发展历程与市场格局

从发展历程来看，20世纪50年代半导体制造初期，晶圆清洗以简单的物理刷洗为主。1965年，RCA公司研发出标准的RCA清洗法，标志着现代湿法清洗技术的开端。70年代初，首台浸入式湿法清洗设备问世，随后通过引入兆声波、旋转喷淋等技术不断提升清洗效果与效率。90年代后，随着铜互连工艺的普及与制程持续微缩，清洗工艺不断精进。2010年以来，随着工艺节点进入14nm及以下，干法清洗开始探索性应用，但湿法清洗依然占据绝对主流地位。

清洗是芯片制造中步骤最多的工序，约占所有制造工序步骤的30%以上。半导体清洗设备投资约占整个晶圆制造设备总投入的7%左右。随着技术节点演进，清洗工序的数量与重要性将持续提升。据行业数据显示，2024年全球前道清洗设备市场规模约为53.3亿美元，其中中国大陆市场规模约为22.7亿美元，占全球市场的42.6%，与中国半导体设备市场在全球的份额基本相符。

全球清洗设备市场呈现高度集中的竞争格局，日本迪恩士（SCREEN）、东京电子（TEL）、美国泛林半导体（Lam Research）和韩国SEMES四家企业合计占据全球约86%的市场份额。迪恩士作为行业领导者，其SU系列清洗机广泛覆盖先进制程；东京电子的CELLESTA SCD系列在3D NAND清洗领域具有显著优势；泛林半导体的EOS系列采用了等离子体约束与AI驱动的工艺优化技术。与此同时，国内企业如盛美半导体、北方华创、至纯科技等近年来取得显著进展，在兆声波均匀性控制、高温硫酸清洗、化学品回收等关键技术领域实现自主创新，部分设备已进入国际供应链，并获得国内头部制造商的批量订单。

四、未来趋势与挑战

未来，集成电路制程的持续微缩与三维结构升级将是驱动清洗设备发展的核心因素。一方面，线宽缩小使得可容忍的污染物尺寸更小、清洗需求增加，要求设备进一步提升清洗效率与精度；另一方面，3D NAND堆叠层数预计将突破500层，GAA FET结构包含多个垂直堆叠的纳米片，这些复杂三维结构要求清洗液能有效渗透至深孔底部，并在不损伤极其脆弱结构的前提下实现均匀清洗，对设备技术提出了全新挑战。

环保压力也在推动清洗技术的革新。领先企业正通过硫酸循环利用、化学品高效回收、降低超纯水消耗等技术，大幅减少生产过程中的化学废液排放与资源消耗，以符合日益严格的环保法规。行业预计，全球半导体设备市场将持续增长，中国市场也将保持重要地位。国内企业需继续在兆声波技术、干法清洗等前沿领域突破技术壁垒，同时依托产业政策支持，持续推进高端清洗设备的国产化替代进程。

半导体清洗设备是保障芯片高成品率与高性能的关键支撑，其技术演进紧密跟随半导体制造工艺的发展。从主流的湿法清洗到探索中的干法技术，从单片式设备的精密控制到应对三维结构的创新解决方案，清洗设备行业正朝着更高效、更精准、更环保的方向持续发展。

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