1、 敬请阅读末页的重要说明 证券研究报告 | 行业联合报告 工业 | 机械 推荐（维持） 清洗需求提高，关注设备进口替代 2020年03月05日 半导体设备系列报告之三清洗篇 上证指数 3012 行业规模 占比% 股票家数（只） 367 9.7 总市值（亿元） 30966 5.1 流通市值（亿元） 23208 4.8 行业指数 % 1m 6m 12m 绝对表现 0.8 8.8 15.1 相对表现 3.3 1.9 -2.7 资料来源：贝格数据、招商证券 相关报告 1、基金19年报持仓分析 机械持仓回升，前十大重仓股持仓占比提升2020-02-02 2、疫情对机械行业影响点评冲击是短暂的2020-0
2、2-02 3、油气装备行业点评油气勘采全面开放，有望提升板块估值2020-01-09 新冠疫情对于社会正常生产、生活形成了较大影响，然而半导体集成电路制造行业由于其生产流程的特殊性，受到的影响相对较小（不考虑物流运输、封测等环节）。春节期间，位于武汉的长江存储、武汉新芯仍在正常运转，而这主要是由于集成电路制程的日益精细、复杂化，对厂区的洁净度、隔离一贯的高要求。同时，先进制程的发展也对生产过程中的清洗环节提出了更高的要求。本篇报告主要介绍集成电路清洗工艺以及相关设备，并关注由存储芯片等下游市场回暖带来的清洗设备国产化机会。重点推荐关注清洗设备进口替代领先企业至纯科技。 存储器行业价格反弹，国产
3、存储器厂商产能爬坡，行业有望进入景气周期。经过一年多的低迷后，NAND 和Dram价格均在 19年年末止跌回升，全球行业景气度回暖有望重新带动资本开支。而国内的主流存储器厂商，2020 年也将迎来持续产能爬坡，有望进一步带动设备采购。 半导体清洗制程工艺节点演变，清洗设备要求不断提升。清洗设备是贯穿半导体产业链的重要环节，避免杂质影响成品质量和下游产品性能，在单晶硅片制造、光刻、刻蚀、沉积等关键制程及封装工艺中均为必要环节。随着集成电路制程工艺节点越来越先进，对清洗环节也提出了新要求，重要性日益凸显，清洗步骤约占整体步骤的33%。 国内清洗设备公司任重道远。根据我们测算，半导体清洗设备年市场空
4、间 30亿美元以上，其中国内市场15-20 亿美元。目前行业绝大部分份额被迪恩士、泛林等海外巨头垄断，但近年来国内的清洗设备企业发展也非常迅速，通过人才引进，设立海外子公司，加强研发等方式，龙头至纯科技、盛美等也逐渐进入了国内、国际一线半导体生产公司。随着国产半导体制造企业对于设备国产化要求的提升，我们认为清洗设备有可能成为最先大规模国产化的半导体生产设备品类。 相关公司及投资建议。至纯科技自2015年进入半导体清洗设备领域以来，已经切入了中芯、万国、燕东、TI 等半导体领先企业，并与国产存储器核心企业保持了密切合作关系，预计2020年单片清洗设备将放量，给予重点推荐。 风险提示：半导体资本开
5、支、设备国产化不及预期，产品利润率下滑。 诸凯 S1090518070005 吴丹 S1090518090001 刘荣 S1090511040001 研究助理 时文博 陈铭 重点设备公司主要财务指标 股价 18EPS 19EPS 20EPS 19PE 20PE PB 评级 至纯科技 35.8 0.13 0.46 0.81 87 43 8.5 审慎推荐-A 长川科技 27.8 0.12 0.05 0.38 556 78 12 审慎推荐-A 华兴源创 48.3 0.61 0.68 0.84 72 57 11 暂无评级 晶盛机电 23.5 0.45 - - - - 8.4 电新覆盖 盛美 20.0
6、2.54 - - - - 4.3 美股 资料来源：公司数据、招商证券 -5051015202530Feb/19 Jun/19 Sep/19 Jan/20(%) 机械 沪深300 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 2 正文目录 前言存储器价格回升，资本开支有望回暖 . 5 一、全球逐渐走出低谷，国内产能持续爬坡 . 5 1、全球市场：2019年市场同比下滑，年末逐渐走出低谷 . 5 2、国内市场：产能持续增长，将超韩国成为全球最大半导体市场 . 7 二、摩尔定律下，制程工艺节点迅速演变 . 9 三、半导体清洗需求、难度不断增长 . 10 1、半导体清洗高质量半导体器件的保障 . 11
7、2、技术路线干法、湿法各有所长 . 12 3、技术路线单晶圆清洗有望逐渐取代槽式清洗 . 14 四、半导体清洗设备市场及行业格局 . 16 1、清洗设备市场：呈寡头垄断格局，国内企业水平与国际仍有较大差距 . 16 2、市场空间，国产清洗设备厂商的机遇 . 18 五、海外清洗设备龙头. 19 1、迪恩士（SCREEN）行业霸主 . 19 2、东京电子（Tokyo Electron）干法清洗领导者 . 21 六、国内清洗设备企业. 23 1、至纯科技清洗领域新贵，单片、槽式均具竞争力 . 24 2、北方华创（电子覆盖）收购Akrion，实现槽式清洗国产化 . 26 3、盛美（ACM Resear
8、ch） . 27 七、风险提示 . 30 图表目录 图1：全球半导体销售额（三个月移动平均值）及同比增速 . 6 图2：1999-2019年全球半导体销售额 . 6 图3：2010-2019年全球硅片出货量 . 6 图4：DRAM和NAND Flash价格止跌回升（右轴：美元） . 7 图5：中国及全球半导体销售额（亿美元） . 8 图6：中国集成电路产业结构（亿元） . 8 图7：2010-2019年国内集成电路进出口金额（万美元） . 8 图8：新设备和生产线潜能图 . 9 mNpMmQpOuNoPpMpMmMoPmM8O8QaQmOrRsQqQeRpPsRkPmMnQaQtRqQuOpM
9、uNxNpPsR 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 3 图9：全球半导体设备销售额（十亿美元） . 9 图10：中国、韩国半导体设备销售额对比（十亿美元） . 9 图11：晶体管结构 . 10 图12：半导体工艺流程 . 12 图13：半导体良品率随支撑变化曲线 . 12 图14：清洗次数随制程提升曲线 . 12 图15：浸入式湿法清洗槽 . 13 图16：兆声清洗槽 . 13 图17：旋转喷淋示意原理图 . 14 图18：晶圆清洗机的控制结构框图 . 14 图19：单晶圆清洗设备示意图 . 15 图20：自动工作站示意图 . 15 图21：洗刷装置示意图 . 15 图22：洗刷器示
10、意图 . 15 图23：全球晶圆市场营收及同比增速 . 18 图24：2017年全球半导体设备市场结构 . 18 图25：自动清洗机FC-3100 . 20 图26：2017年全球半导体设备市场结构 . 20 图27：单晶圆清洗机SU-3300. 20 图28：SCREEN总营业收入及同比增速 . 21 图29：SCREEN销售毛利率及销售净利率. 21 图30：自动清洗台EXPEDIUS . 22 图31：单晶圆清洗CELLESTA - i MD . 22 图32：干法清洗机CELLESTA - i MD . 22 图33：干法湿法对比 . 23 图34：疏水表面水印对比 . 23 图35：
11、TEL总营业收入及同比增速 . 23 图36：TEL销售毛利率及销售净利率 . 23 图37：至纯科技槽式湿法设备 . 24 图38：至纯科技单片清洗设备 . 24 图39：至纯科技总营业收入及同比增速 . 25 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 4 图40：至纯科技归母净利润及同比增速 . 25 图41：至纯科技销售毛利率及销售净利率 . 25 图42：北方华创总营业收入及同比增速 . 26 图43：北方华创归母净利润及同比增速 . 26 图44：北方华创销售毛利率及销售净利率 . 27 图45：盛美SAPS设备图 . 28 图46：盛美TEBO设备图 . 28 图47：SAPS清
12、洗原理 . 28 图48：SAPS清洗效率对比 . 28 图49：清洗损伤程度对比 . 29 图50：盛美总营业收入及同比增速 . 29 图51：盛美销售毛利率及销售净利率 . 29 图52：机械行业历史PE Band . 30 图53：机械行业历史PB Band . 30 表1、沾污的种类及对半导体硅片的影响 . 11 表2、硅片的主要清洗方法及优缺点 . 13 表3、半导体清洗设备 . 14 表4、2018年全球半导体设备厂商营收排名（百万美元） . 16 表5、2017年半导体设备竞争格局 . 17 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 5 前言存储器价格回升，资本开支有望回暖 存
13、储器占据了集成电路市场的半壁江山，从2018年以来，由于产能集中释放、库存高企以及需求低增速，存储器的价格经历了一年多的持续下跌，但 19 年年末以来，随着云计算数据中心等因素的驱动，存储器价格开始反弹，NAND Flash价格近期以来持续上涨，Dram也已经由跌转涨，预期价格还将进一步上涨，带动存储器行业复苏。 当前我国存储器产业仍与世界先进水平有一定差距，出于战略目的，国内存储器厂商将进一步加大产能，其中的佼佼者就是长江存储以及合肥长鑫。这两家企业有望在 2020年顺利进入产能爬坡期，从而催生较大数量的设备需求。截至 19 年年末，预计长江存储月产能约 2 万片，有望在 20 年上半年达到
14、 5 万片，合肥长鑫19 年年年末产能 2 万片，预计一季度末就将达到4万片。存储器相对于逻辑芯片标准化程度高，因此近年来成为国产化突破的重要方向，除了制造工艺的国产化以外，设备的国产化也是重要关注点。根据招标网数据，长江存储自 19 年四季度以来招标密度、核心设备招标数量明显增加，例如四季度中微半导体获得长江存储3台设备订单，2020年1月2日，中微半导体再中标长江存储9台刻蚀设备订单。 一、全球逐渐走出低谷，国内产能持续爬坡 半导体行业由于其资本密集、技术革新快等特点，经常呈现以4-6年为一个周期波动向上发展的趋势，2018 年下半年以来，受到下游智能手机、汽车、工业等需求疲软以及库存处于
15、历史高位，全球半导体行业进入下行周期，2019 年全球半导体销售额 4110亿美元，同比2018年下降12.4%。 但从 19 年 9 月开始，已有迹象显示随着 5G、AI、智能驾驶、物联网 IOT 等创新应用的发展，全球半导体行业正逐步进入复苏期。 而在中国，半导体行业始终处于较高的景气位置。存储器行业是我国集成电路产业突破的重要方向，出于战略目的，国内存储器厂商数量、产能均在持续增加，其中的佼佼者就是长江存储以及合肥长鑫。这两家企业有望在2020年顺利进入产能爬坡期，从而催生较大数量的设备需求。 1、全球市场：2019年市场同比下滑，年末逐渐走出低谷 全球半导体行业已经进入存量竞争格局，并
16、购频繁。近 10 年来行业规模增速维持在4%-6%之间，维持了较高的增长，但和互联网、人工智能等新兴科技产业 50%以上的爆发式增长相比，半导体行业的平稳增速更贴近传统产业。存量竞争的格局下，国际巨头更多通过并购整合的方式实现增长、减少行业竞争，从而保持增长率和毛利率。根据不完全统计，仅2015年就有恩智浦并购飞思卡尔、安华高并购博通、英特尔并购阿尔特拉等9个重要并购事件。 2019 年全年半导体销售同比下滑 12.4%。据 SIA 最新数据显示，2019 年全年全球半导体销售额4110亿美元。 其中累计销售额为3017亿美元，同比下降14.2%，四季度虽然依然下降，但降幅明显收窄，全年降幅收
17、窄至12.4%。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 6 图1：全球半导体销售额（三个月移动平均值）及同比增速 资料来源：wind、招商证券 台积电业绩同比增长，三星、英特尔有所下降。全球最大的芯片代工厂台积电2019年第三季度营收约为2930亿元新台币，同比增长13%；税后纯收益约1011亿元新台币，较上年同期上涨 13%。三星 Q2 财报数据显示，其半导体业务的营业利润为 3.04 万亿韩元，与去年同期 13.65 万亿韩元的盈利相比暴跌了 78%（主要系存储器价格下降）。英特尔最新财报显示第三季度营收为 191.1 亿美元，同比上升 0.14%；净利润为 59.9亿美元，同比下降
18、6.38%。 图2：1999-2019年全球半导体销售额 图3：2010-2019年全球硅片出货量 资料来源：wind、招商证券 资料来源：wind、招商证券 存储器价格19年继续下行，但已经止跌回升。2017年，DRAM和NAND Flash的价格分别上涨了 44%和 17%，价格上涨趋势一直延续到 2018 年上半年，但进入到下半年，由于产能供给的过剩，内存和闪存开始全面降价，2018 年第四季度，NAND 价格跌15%，厂商库存也逼近十年最高水平。2019年也依然延续了下降趋势，但自19年1月份以来，NAND价格和Dram价格指数均开始止跌回升。 -60%-40%-20%0%20%40%
19、60%80%0510152025303540452001-012001-072002-012002-072003-012003-072004-012004-072005-012005-072006-012006-072007-012007-072008-012008-072009-012009-072010-012010-072011-012011-072012-012012-072013-012013-072014-012014-072015-012015-072016-012016-072017-012017-072018-012018-072019-012019-07全球半导体销售额三个
20、月移动平均值（十亿美元） 同比-30%-20%-10%0%10%20%30%40%050,000100,000150,000200,000250,000300,000350,000400,000450,000500,000全球半导体销售额 同比增速-60%-40%-20%0%20%40%60%02,0004,0006,0008,00010,00012,00014,000全球硅片出货量（百万平方英寸） 同比 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 7 图4：DRAM和NAND Flash价格止跌回升（右轴：美元） 资料来源：SIA、WSTS、招商证券 从SEMI最新公布2019年全球晶圆厂预
21、测报告来看，经历上半年衰退态势后，下半年因存储器投资有所回暖，预估2019年全球晶圆厂设备支出将上修至566亿美元。预计2019年晶圆厂设备投资仅同比下滑7，相较于先前所预测降幅18降幅缩小。11 月半导体出货额及部分地区设备出货量有所回暖，可能预示着持续低迷一年的半导体投资也将有所回暖。 2、国内市场：产能持续增长，将超韩国成为全球最大半导体市场 2019年中国半导体市场需求约为全球的35%，中国为全球需求增长最快的地区，年均复合增速超过 20%。在中国半导体产业的大规模引进、消化、吸收以及产业的重点建设下，中国已成为全球半导体的主要市场之一。2014 年中国半导体产业销售额已达4887.8
22、亿元，同比增长11%；到了2016年中国半导体产业销售额达到6378亿元，同比增长14.8%； 2018年全球半导体销售额为4688亿美元，其中我国半导体销售额1579亿，占全球市场的33.7%。2019年以来，全球市场半导体累计销售额同比下降14%至3017 亿元。截至 2019 年 9 月，我国今年半导体累计销售额达到 1057 亿，同比下降12%，占全球市场的 35%。随着 5G、消费电子、汽车电子等下游产业的进一步兴起，预计中国半导体产业规模将快速增长。 中国大陆强化存储器布局，长江存储、合肥长鑫产能爬坡。19年 9月2 日，长江存储正式宣布量产64层堆栈的3D 闪存（Xtacking
23、 3D NAND）。通过将Xtacking架构引入批量生产，能够显著提升产品性能，缩短开发周期和生产制造周期，从而推动高速大容量存储解决方案市场的快速发展。随着 5G，人工智能和超大规模数据中心时代的到来，闪存市场的需求将持续增长。 19年9月20日，总投资约1500亿元的长鑫存储内存芯片自主制造项目正式宣布投产，长鑫存储填补了国内DRAM的空白，有望突破韩国、美国企业在国际市场的垄断地位。DRAM即动态随机存取存储器，是芯片产业中产值占比最大的单一品类，广泛用于PC、手机、服务器等领域。 我国集成电路产业结构更加趋于优化，2019年IC设计、制造、封测的产业比重分别为 40.4%、27%和3
24、2.6%。近年来，国内半导体一直保持两位数增速，制造、设计与封测012345605,00010,00015,00020,00025,00030,00035,000DXI指数 现货平均价:NAND Flash:64Gb 8Gx8 MLC（美元） 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 8 三业发展日趋均衡。世界集成电路产业设计、制造和封测三业占比惯例为343，2018年我国集成电路设计业销售收入2519.3亿元，所占比重从2012年的35%增加到39%；制造业销售收入 1818.2 亿元，所占比重从 23%增加到 28%；封测业销售收入 2193.9亿元，所占比重从2012年的42%降低到3
25、4%，结构更加趋于优化。截至2019年9月，我国设计、制造、封测的产业比重分别为40.4%、27%、32.6%，增长势头良好。 图5：中国及全球半导体销售额（亿美元） 图6：中国集成电路产业结构（亿元） 资料来源：wind、招商证券 资料来源：wind、招商证券 我国半导体市场虽大但自给率低，供给能力不足。2019年1-11月我国集成电路出口累计金额为919.61亿美元，进口累计金额约为2778.62亿美元，贸易逆差下降18.25%。2018年我国集成电路出口金额为846.36亿美元，进口金额为3120.58亿美元，贸易逆差同比增长17.7%。从 2015年开始，集成电路进口金额连续4年超过原
26、油成为我国第一大进口商品。我国2014及2015年芯片进口均超过2000亿美元，成为中国进口量最大的商品。2016 年中国公司仅能满足本土 15%左右的芯片需求。在高端芯片市场上，服务器 MPU、桌面计算机 MPU、工业控制用 MCU、可编程逻辑器件 FPGA、数字信号处理器DSP，手机芯片中的用到的嵌入式CPU、嵌入式DSP、动态随机存储器DRAM、闪存FLASH、高速高精度转换器AD/DA、高端传感器Sensor等基本上全部依赖国外，我国产品的市场占有率几乎为 0。2019 年 11 月份，我国集成电路进口金额同比下跌4.5%至293.75亿美元；出口金额同比上涨18.7%，达到90.75
27、亿美元。 图7：2010-2019年国内集成电路进出口金额（万美元） 资料来源：wind、招商证券 中国半导体产业销售额或超韩国成为全球最大半导体市场。随着半导体行业的快速发展，-0.2-0.100.10.20.30100020003000400050002014 2015 2016 2017 2018 2019（1-9）全球（亿美元）中国（亿美元）全球同比%中国同比%0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%01,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,0002010 2011 2012 2013 2014 2015 2
28、016 2017 2018 2019(1-9)设计业制造业封装测试业总销售额同比增速-40-2002040608005000000100000001500000020000000250000003000000035000000出口 进口 累计同比% 累计同比% 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 9 应用场景不断扩展，嵌入到从汽车等各类产品中，同时伴随着人工智能、虚拟现实和物联网等新兴技术的出现，半导体的市场需求不断扩大。随着半导体制造环节向大陆转移，新建晶圆厂拉动半导体设备需求。2018 年大陆地区首次超过台湾地区已成为全球第二大半导体设备市场，预计到2019年，中国，韩国和台湾将保
29、持前三大市场，中国将跻身榜首，韩国预计将变成第二大市场，为 163 亿美元，而台湾预计将达到 123 亿美元的设备销售额。 图8：新设备和生产线潜能图 资料来源：SEMI、招商证券 图9：全球半导体设备销售额（十亿美元） 图10：中国、韩国半导体设备销售额对比（十亿美元） 资料来源：wind、招商证券 资料来源：wind、招商证券 二、摩尔定律下，制程工艺节点迅速演变 集成电路技术的发展过程，就是把晶体管尺寸做得越来越小的过程。在市场需求的驱动下，集成电路从小规模集成电路（SSI）到中规模集成电路（MSI）、再到大规模集成电路（LSI），一直到现在的超大规模集成电路（VLSI）。集成度的提高，
30、不仅意味着单个晶体管的尺寸缩小了，同时也意味着采用了更加先进的制造工艺。九十年代的大规模010203040506070日本 北美 欧洲 韩国 中国台湾 中国大陆-150%-100%-50%0%50%100%150%200%250%300%350%02468101214161820韩国 中国大陆同比（中国） 同比（韩国） 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 10 集成电路普遍采用的是微米级工艺，现在已经发展到纳米级工艺了。目前全球发展 7 纳米及其以下先进制程的有台积电、三星及英特尔 3 家公司。其中，台积电发展最快，2019 年即将试产 5 纳米制程。而相对于国内最大的晶圆代工厂中芯国
31、际，技术水准与业界至少差了两代以上，已量产的最先进制程还是在 28 纳米制程上。不过，国内企业将持续推进先进制程研发，中芯国际的14纳米制程将于 2019年量产。 工艺节点姑且认为是相当于晶体管的尺寸，是描述摩尔定律进程的一个指标。摩尔定律说，半导体芯片每一年半（后来改为两年），其集成度翻一番，并伴随着性能的增长和成本的下降。怎样描述这个集成度呢？这就有了工艺“节点”的说法。 工艺节点数值越小，表征芯片的集成度就越高。晶体管结构中，电子从一端(S)，通过一段沟道，送到另一端(D)，这个过程完成了之后，信息的传递就完成了。电流会损耗，而栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗，表现出来就是手机常见的发
32、热和功耗，宽度越窄，功耗越低。晶体管尺寸越小，速度就越快；尺寸缩小之后，集成度提升，一来可以增加芯片的功能，二来直接结果是成本的下降；晶体管缩小还可以降低单个晶体管的功耗，同时会降低整体芯片的供电电压，进而降低功耗。 图11：晶体管结构 资料来源：网络资料整理、招商证券 摩尔定律逐渐放缓，新材料的应用、新技术的研发不会停止，半导体行业将迎来新的转折点。但近些年来，在工艺节点不断向前推进的过程中，晶体管尺寸已经接近物理极限，半导体器件也面临着短沟道效应、漏栅极漏电流增大，功耗增大的挑战。在此背景下，半导体行业五大趋势值得关注：大陆半导体的崛起、2.5/3D封装技术、EUV光刻机、人工智能/机器学
33、习、新材料如C-tube/Graphene等。 随着集成电路制程工艺节点越来越先进，特征尺寸的不断缩小，半导体对杂质含量越来越敏感，对实际制造各个环节的要求越来越高，清洗环节的重要性日益凸显。 三、半导体清洗需求、难度不断增长 清洗设备是贯穿半导体产业链的重要环节，用于清洗原材料及每个步骤中半成品上可能存在的杂质，避免杂质影响成品质量和下游产品性能，在单晶硅片制造、光刻、刻蚀、沉积等关键制程及封装工艺中均为必要环节。 随着集成电路制程工艺节点越来越先进，对实际制造的几个环节也提出了新要求，清洗环节的重要性日益凸显。清洗的关键性则是由于随着特征尺寸的不断缩小，半导体对杂质含量越来越敏感，而半导体
34、制造中不可避免会引入一些颗粒、有机物、金属和氧化物等污染物。为了减少杂质对芯片良率的影响，实际生产中不仅仅需要提高单次的清洗效率，还需要在几乎所有制程前后都频繁的进行清洗，清洗步骤约占整体步骤的33%。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 11 1、半导体清洗高质量半导体器件的保障 在硅晶体管和集成电路生产中, 几乎每道工序都有硅片清洗的问题, 所有与硅片接触的媒介都可能对硅片造成污染, 硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响。污染途径可能来自于水、大气、设备、各类化学试剂以及人为加工造成的污染,污染可以分为颗粒污染、有机物污染和金属污染。若半导体材料表面存在痕量杂质, 如钠离子、金属和
35、其他杂质粒子等, 在高温过程中会扩散、传播, 进入半导体材料内部, 对器件不利。要得到高质量的半导体器件, 硅片必须具有非常洁净的表面。 表1、沾污的种类及对半导体硅片的影响 硅晶圆表面沾污的种类 对主要器件、工艺的影响 金属污染 颗粒玷污 图形缺陷 离子注入不良绝缘膜耐压不良 碱性金属（Na, K） MOS晶体管特性不稳定 栅极氧化膜耐压劣化 PN结逆方向漏电流增大 栅极氧化膜耐压力劣化 重金属（Fe, Ni, Cu, Au等） 少数载流子寿命缩短 氧化激励层产生缺陷 其他金属（Al, Ca等） 绝缘膜耐压不良 化学污染 有机沾污 栅极氧化膜耐压不良 CVD膜厚产生偏差热 氧化膜产生偏差（加
36、速氧化） 在硅基板上扩透镜表面等产生 无机污染 MOS晶体管的Vth变化 Si基板和高阻值poly-Si片电阻变化 胺使化学增模型保护膜清晰度劣化 氨和氧使形成的盐产生微粒 自然/化学氧化膜（水分和氧） 接触电阻增加 场栅氧化膜耐压劣化（膜上有沾污的场合） 资料来源：网络资料整理、招商证券 几乎所有制程前后都频繁的进行清洗，晶圆的清洁程度直接影响集成电路的成品率。随着半导体制程不断升级，清洗次数直线上升，由半导体工艺流程基础一书中得知，最重要的清洗环节有三次，第一次是加工前对硅片的清洗，去除硅片表面杂质，保证后续操作精度；第二次是氧化加膜后的清洗，将半导体表面不必要的为了和金属氧化物以及有机物
37、去除，以保证涂胶均匀度；第三次是离子注入后的清洗，主要是将表面的金属离子去除，防止发生短路。实际上，随着工艺不断进步，精度不断上升，清洗越来越不限于这三个环节，加工的每一步都会伴随一定的清洗步骤。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 12 图12：半导体工艺流程 资料来源：半导体工艺流程基础、中芯国际、招商证券 到了20纳米以下，超过三分之一的工艺步骤是清洗步骤。从70纳米以下起，芯片制造的良率就开始有所下降。主要原因之一就在于硅片上的颗粒物、污染难以清洗。随着节点越来越小，到了 20 纳米以下，超过三分之一的工艺步骤是清洗步骤，基本上每两个步骤就要进行一次清洗。比如20nm节点的DR
38、AM，就多达200个清洗步骤。而越往下走，要得到较高的良率，几乎每步工序都离不开清洗。据盛美公司估计，每月十万片的DRAM工厂，1%的良率提升可为客户每年提高利润3000-5000万美元。 图13：半导体良品率随支撑变化曲线 图14：清洗次数随制程提升曲线 资料来源：盛美、招商证券 资料来源：盛美、招商证券 2、技术路线干法、湿法各有所长 半导体清洗有干法和湿法两种清洗方法，目前湿法由于其成本低产能高的优点占据主流，占整个清洗制程90%以上。湿法清洗由于使用相对多的化学试剂，也存在晶片损伤、化学污染和二次交叉污染等问题，而干法清洗虽然环境友好、化学用量少，随着半导体制程不断升级，干法清洗低磨损
39、的优点日益突出，逐渐得到更多的关注。不过，目前干法清洗控制要求和成本较高，仍难以大量应用于半导体生产中。因此实际的半导体产线上通常是以湿法清洗为主，少量特定步骤采用干法清洗相结合的方式互补所短，构建半导 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 13 体制造的清洗方案。 湿法清洗采用液体化学溶剂和 DI 水氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。由美国无线公司开发的浸泡式 RCA 化学清洗工艺得到广泛应用, 但是无法在一道清洗工序中同时实现对硅外延片表面的有机物、颗粒、金属污染物和粒状水痕高质量的去除。干法清洗采用气相化学法去除晶片表面污染物，将热化学气体或等离子态反应气体导入
40、反应室，反应气体与晶片表面发生化学反应生成易挥发性反应产物被真空抽去。干法清洗的优点在于清洗后无废液，可有选择性的进行局部处理。但气相化学法无法有选择性的只与表面金属污染物反应，都不可避免的与硅表面发生反应。各种挥发性金属混合物蒸发压力不同，在低温下各种金属挥发性不同，所以在一定的温度、时间条件下，不能将所有金属污染物完全去除，因此干法清洗不能完全取代湿法清洗。 图15：浸入式湿法清洗槽 图16：兆声清洗槽 资料来源：半导体硅片清洗设备研究进展、招商证券 资料来源：半导体硅片清洗设备研究进展、招商证券 表2、硅片的主要清洗方法及优缺点 清洗方法 描述 优点 缺点 湿法清洗 RCA清洗法 使用双
41、氧水与酸/碱溶液的混合物进行两步氧化。 在清除晶片表面的有机物、粒子和金属等污染物时十分有效。 去除晶片表面污染物薄膜而不能去除颗粒；需在高温环境下进行；耗用化学品大，会加大硅片的粗糙度；排放量大污染环境。 超声清洗方法 晶片浸没在清洗液中, 利用超高频率的声波能量将晶片正面和背面的颗粒有效去除。 清洗的速度快;清洗的效果比较好;能够清洗各种复杂形状的硅片表面;易于实现遥控和自动化。 颗粒尺寸较小时, 清洗效果不佳;在空穴泡爆破的时候, 巨大的能量会对硅片造成一定的损伤。 干法清洗 气相清洗法 先让片子低速旋转, 再加大速度使片子干燥, 这时, HF蒸汽可以很好的去除氧化膜玷污及金属污染物。
42、对那些结构较深的部分, 比如沟槽, 能够进行有效的清洗；对硅片表面粒子的清洗效果也比较好, 并且不会产生二次污染。 虽然HF蒸汽可除去自然氧化物, 但不能有效除去金属污染。 紫外-臭氧清洗法 将晶片放置在氧气氛围中用汞灯产生的短波长紫外光进行照射。 特别适合氧化去除有机物，另外还有某些特殊用途, 如Ga As的清洗。 无法清洗一般的无机物沾污。 资料来源：网络资料整理、招商证券 目前清洗工艺最大的难点在于芯片的立体结构。半导体是三维结构，在制作过程中需要保障薄层上的导电性，清除角下、角上面的颗粒，同时避免薄片不被破坏。同时，随着尺寸、颗粒越来越小，线越来越细，伴随5纳米、3纳米技术的升级，清洗
43、的难度也会加大。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 14 3、技术路线单晶圆清洗有望逐渐取代槽式清洗 目前，市场上最主要的清洗设备有单晶圆清洗设备、自动清洗台和洗刷机三种。在 21世纪至今的跨度上来看，单晶圆清洗设备、自动清洗台、洗刷机是主要的清洗设备，其他清洗设备包括超声/兆声清洗设备、晶圆盒清洗设备、干法清洗设备（如等离子清洗设备）等，占比较小。 表3、半导体清洗设备 设备 清洗方法 适用场合 单晶圆清洗设备 旋转喷淋 全生产流程中，比如扩散前清洗、栅极氧化前清洗、外延前清洗、CVD前清洗、氧化前清洗、光刻胶清除、多晶硅清除和刻蚀环节等 自动清洗台 溶液浸泡 全生产流程中 洗刷台
44、 旋转喷淋 锯晶圆、晶圆磨薄、晶圆抛光、研磨、 CVD 超音波清洗设备 超声清洗 半导体前道各阶段 晶圆盒清洗设备 机械擦拭 晶圆盒清洗 等离子体清洗设备 等离子体清洗 光刻胶去除 资料来源：网络资料整理，招商证券 单晶圆清洗设备有着极高的制程环境控制能力与微粒去除能力，市场份额相对小。单晶圆清洗设备一般采取旋转喷淋的方式，用化学喷雾对单晶圆进行清洗的设备，相对自动清洗台清洗效率较低，产能较低，但有着极高的制程环境控制能力与微粒去除能力。可用于多种工艺中，包括扩散前清洗、栅极氧化前清洗、外延前清洗、CVD 前清洗、氧化前清洗、光刻胶清除、多晶硅清除等多个清洗环节和部分刻蚀环节中。还有另一种单晶
45、圆清洗设备采取超声波清洗方式，市场份额相对小。 图17：旋转喷淋示意原理图 图18：晶圆清洗机的控制结构框图 资料来源：晶圆清洗技术应用、招商证券 资料来源：晶圆清洗技术应用、招商证券 自动工作站清洗产能高，适合大批量生产，但无法达到单晶圆清洗设备的清洗精度，很难满足在目前顶尖技术下全流程中的参数要求。自动工作站，也称槽式全自动清洗设备，以多槽为主，也有少部分单槽设备，是指在化学浴中同时清洗多个晶圆的设备，原理为利用机械手臂将放置晶圆的载体依次放入不同腔室进行各步清洗。优点是清洗产能高，适合大批量生产，但无法达到单晶圆清洗设备的清洗精度，很难满足在目前顶尖技术下全流程中的参数要求。并且，由于同
46、时清洗多个晶圆，自动清洗台无法避免交叉污染的 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 15 弊端。 图19：单晶圆清洗设备示意图 图20：自动工作站示意图 资料来源：SCREEN、招商证券 资料来源：SCREEN、招商证券 单晶圆清洗设备与自动清洗台在应用环节上没有较大差异，两者的主要区别在于清洗方式和精度上的要求。简单而言，单晶圆清洗设备是逐片清洗，自动清洗台是多片同时清洗，所以自动清洗台的优势在于设备成熟、产能较高，而单晶圆清洗设备的优势在于清洗精度高，背面、斜面及边缘都能得到有效的清洗，同时避免了晶圆片之间的交叉污染。 洗刷器在晶圆抛光后清洗中占有重要地位。采取旋转喷淋的方式，但配合
47、机械擦拭，有高压和软喷雾等多种可调节模式，用于适合以去离子水清洗的工艺中，包括锯晶圆、晶圆磨薄、晶圆抛光、研磨、CVD等环节中，尤其是在晶圆抛光后清洗中占有重要地位。 图21：洗刷装置示意图 图22：洗刷器示意图 资料来源：网络资料整理、招商证券 资料来源：SCREEN、招商证券 清洗设备分为槽式和单片式。槽式设备是一个酸槽，里面乘着酸液，一次可以同时清洗25片或50片晶圆，清洗效率较高、成本较低。但缺点有两个：第一，同时清洗的晶圆之间会相互污染；第二，酸槽里的酸液通常一定周期更换一次，所以前一批次清洗的晶圆可能污染后一批次的晶圆。单片式的清洗设备由数个清洗腔构成，每一片晶圆在一个清洗腔里单独
48、清洗，清洗方式为喷淋式清洗，清洗得较为干净，而且避免了交叉污染和前批次污染后批次。但缺点是清洗效率低，成本高。 越先进的工艺，单片式清洗设备占比越高。在8寸工艺和12寸里的90/65nm等工艺中，线宽较宽，对残留的杂质容忍度相对较高，因此对清洗的要求相对没那么高，为节省成本和提高生产效率，以槽式清洗设备为主。在 45/28/22/16/10/7nm 等工艺中，线宽较窄，对残留杂质的容忍度低，要求清洗得更干净，越先进的工艺，单片式清洗设备占比越高。因此以单片式清洗设备为主。在先进工艺中，槽式清洗设备也有单片式清洗无法 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 16 替代的清洗方式，如高温磷酸清
49、洗，目前只能用槽式清洗设备。总的趋势是，越先进的工艺，单片式清洗设备占比越高。根据电子工程世界的产业调研，22nm DRAM产线中，单片式清洗的占比可达到约70%。 单晶圆清洗取代批量清洗是先进制程的主流。随着集成电路越来越先进，清洗步骤的影响也越来越大，约占整体步骤的 33%。从清洗方案来说，单晶圆清洗取代批量清洗是先进制程的主流，反映在设备上就是单晶圆清洗机对槽式全自动清洗机的取代，2016年前者市场份额约为后者的四倍。兆声波清洗作为单晶圆清洗的一种，虽然效果好，但其由于均匀性和损伤性的问题一直阻隔其发展，而中国清洗设备公司盛美独家开发的SAPS 和 TEBO 技术很好的解决了这个难题。S
50、APS 技术是针对清洗平坦硅片，TEBO 技术针对清洗立体结构。SAPS技术和TEBO技术在27亿美金的全球市场份额中占据30%。 四、半导体清洗设备市场及行业格局 1、清洗设备市场：呈寡头垄断格局，国内企业水平与国际仍有较大差距 在整个半导体设备市场中，晶圆制造设备大约占整体的 80%，封装及组装设备大约占7%，测试设备大约占9%，其他设备大约占4%。而在晶圆制造设备中，光刻机，刻蚀机，薄膜沉积设备为核心设备，分别占晶圆制造环节设备成本的30%，25%，25%。 从半导体设备供给侧来看，据Gartner统计，全球规模以上晶圆制造设备商共计58家，其中日本的企业最多，达到 21 家，占 36%
