根据 Gartner 数据，2021 年全球半导体热处理设备市场规模约为 50 亿美元。在全球热处理工艺设备市场，科意半导体（KE）、应用材料（AMAT）、东京电子（TEL）三巨头占据70%的市场份额，中国主要热处理设备厂商包括北方华创、屹唐半导体等，整体规模已占据全球市场的3%。热处理工艺主要分为氧化、扩散、退火三大类，所使用的半导体设备有炉管式（Furnace）、单片式快速热处理（Rapid Thermal Processing, RTP）等设备。其中，立式炉按工艺应用可以分为氧化退火设备、薄膜沉积设备。单片快速热处理工艺包括浸入式退火（Soak Anneal）、尖峰退火（Spike Anneal）、毫秒级退火（Millisecond Anneal）、原位氧化等种类。随着集成电路特征尺寸的不断缩小，芯片性能对热预算、对温度的敏感度要求越来越高，对热处理工艺不断提出新的挑战。一是芯片性能对热预算、对温度的敏感度越来越高。随着半导体芯片尺寸的缩小，退火工艺对较低的热预算要求越来越高，传统炉管设备已不能满足对低热预算的要求，需要更低的工艺温度及更快的升降温速率的立式炉设备，同时 RTP 尖峰退火和毫秒级退火工艺应用需求逐渐增多。一般的尖峰退火多采用正面加热晶圆的方式，但随着制程发展到28 nm及以下先进制程，正面加热的方式无法克服晶圆正面图形疏密差异所引起的单颗芯片内加热均匀性问题，继而出现了采用背面加热的RTP设备。二是先进的工艺需求需要更先进的温度场控制技术。基于模型的温度控制技术将取代传统基于比例、积分、微分（PID）进行闭环自动控制的温控技术，采用先进的基于模型的温度控制技术不仅可以解决温度控制灵活性和稳定性方面的不足，而且在稳定热场的快速建立和快速恢复方面具有极佳的特性。同时，为获得更好的片内均匀性并提升大尺寸晶圆的良品率，RTP 设备对单片晶圆采用多点测温的方式，通过实时、动态调节各个区域加热功率，从而保障良好的片内温度均匀性。三是在更高温下，对零部件选材及金属离子污染控制提出了更高的要求。随着晶圆尺寸的增大和缺陷控制要求的提高，导致热处理特别是超过 1000℃ 的高温工艺更易产生或放大晶体内部缺陷。因此，高温处理过程中减少或避免产生滑移缺陷从而提升芯片性能、提高产品良率变得愈加重要。此外，高温工艺下对金属离子污染提出了更高的要求。腔室内部部件材料的纯度、表面处理以及热稳定性要求更高，特别是直接接受加热的晶圆承载部件。四是炉管式化学气相沉积薄膜工艺向原子层沉积薄膜工艺发展。原子层沉积薄膜工艺更适用于超薄/致密薄膜制备、高深宽比结构薄膜制备、低温薄膜制备等工艺技术领域。此外，在先进集成电路工艺中，复杂的三维架构、超大深宽比电荷捕获型结构以及较低热预算的结合，对于特定关键薄膜沉积设备的应用提出很高的挑战，因此，采用具有良好台阶覆盖性能，并且借助多腔室形式提升批处理能力的多腔室小批量ALD设备也成为单片ALD设备的一种补充解决方案。热处理设备的核心零部件及技术包括高精度的温控算法技术、加热器部件、高温计部件、晶圆载具、高纯碳化硅、高纯石英等。例如：▶低温沉积工艺需要高精度温度控制算法及对应的硬件系统，针对RTP的工艺设备甚至需要具备 100Hz 以上的温度调控频率；
▶需要开发截面温度均匀性更好的加热器，多温区细化调节智能匹配，优化保温层的结构设计及均匀度，优化温度控制单元的硬件系统来实现更加精确和稳定的目标温度控制；
▶实时高温测试技术，需要高精度低噪声测温探测器，并具备宽幅测试区间；
▶在温度升降过程中，容易产生热缺陷与应力，高温缺陷控制需要深入研究不同材料的扩散特性及载具的制备及精密加工技术；
▶高纯碳化硅材料无法通过传统的烧结陶瓷的方式来实现（多采用化学气相沉积方法制备），坯料生长难度大；碳化硅材料自身硬度极高，仅次于金刚石，加工难度大、成品率低；
▶为应对更低金属污染的控制要求，需要更高纯度的石英部件及其原材制备技术。
热处理工艺通常需要根据每种材料和工艺应用场景衍生出不同的温度控制和工艺设计下的设备类型，而且很多热处理工艺通常用于实现晶圆掺杂、金属薄膜沉积后硅化、晶圆表面改性（氧化/氮化）等工艺，工艺过程较难监控，且对芯片电学性能影响较大，是核心工艺设备中验证周期长、工艺匹配要求高的一类设备，在逻辑和存储工艺中涉及30 余种工艺类型，百余道工序制程。对设备的工艺验证能力、量产技术能力和核心零部件技术的持续突破是热处理设备发展的重中之重。湿法清洗是贯穿集成电路制造的重要工艺环节，也是影响半导体芯片良率的最重要的因素之一。清洗工艺步骤是先进工艺步骤中占比最大的工序，在逻辑电路工艺中占比大于 30%，在 3D NAND 和 DRAM 工艺中占比近 40%。伴随半导体制造技术节点的进步，清洗工序的数量和重要性将继续提高。根据 Gartner 统计数据，2021 年湿法清洗设备全球市场规模约为 50.8 亿美元，全球湿法清洗设备呈现迪恩士（DNS）、东京电子（TEL）、细美事（SEMES）和泛林半导体（LAM）四家寡头垄断格局，合计占据了超过 90% 的市场份额。国内湿法设备厂商北方华创、盛美半导体、沈阳芯源微、至纯科技整体规模不足全球 5%。湿法设备主要包括槽式清洗设备、单片清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。湿法清洗是针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行湿法刻蚀，清洗或表面处理，达到去除多余膜层以及可能产生不良影响的颗粒、有机物、金属污染等。随着集成电路特征尺寸不断缩小，集成电路制造过程中湿法工艺步骤大幅度增加，同时对晶圆表面污染物的控制要求越来越高，因此对湿法设备提出更高的要求。为了获得更高的芯片可靠性及电学性能，湿法设备呈现出具有更高表面污染物控制能力的单片清洗逐渐取代槽式清洗的发展趋势，同时先进工艺中高深宽比的图型使得单片清洗中干燥工艺的发展尤为关键。一是线宽尺寸的不断缩小。随着特征线宽的减小，清洗过程所能容忍的材料损失也要求越来越少，颗粒对芯片良率尤为关键，导致清洗后晶圆表面可接受的颗粒尺寸也不断减小。传统的槽式清洗设备由于交叉污染且控制精度低，已无法满足 40 nm及以下的工艺要求。单片清洗设备对工艺的灵活控制、污染风险低、清洗能力强，逐渐成为主流湿法设备。二是高密度、高深宽比三维器件结构的清洗。对逻辑领域（鳍式场效应晶体管（FinFET）、环栅场效应晶体管（GAA）的深沟槽隔离工艺、存储领域（3D NAND、DRAM）的高深宽比（大于或等于高深宽）图形阵列等三维器件结构来说，如何完成从这种非常微细的纳米级的立体几何图形中去除刻蚀残留物，并确保图形完整性和芯片结构无损伤是湿法工艺所要面临的挑战，这些都需要湿法工艺做出创新性变革。以单片清洗设备的干燥技术为例，从旋转干燥（Spin Dry）发展为异丙醇（IPA）干燥，再到应用于 3nm 及以下技术节点的超临界干燥技术，通过不断降低晶圆表面液体的表面张力，以避免干燥过程中对微结构造成拉力破坏。三是新材料不断被引入。随着锗硅、磷硅等半导体材料以及铪、钴等多种过渡金属的应用，对应的湿法工艺也需要做出相应的改变，如化学药液的选择、金属电化学腐蚀的控制以及刻蚀选择比的调整等。例如，针对化学药液的选择，在锗硅工艺的湿法刻蚀，需要升级设备，精确控制刻蚀液四甲基氢氧化铵（TMAH）中的氧含量，以达到单片晶圆内硅刻蚀均一性的要求。湿法清洗设备的工艺能力主要取决于其搭载的核心零部件及技术。随着技术节点的延伸，对晶圆表面的清洗及腐蚀均匀性、纳米级颗粒控制能力等提出更高的要求。湿法设备涉及的核心零部件包括精密化学传输装置、二流体清洗喷嘴和晶圆卡盘等。精密化学传输装置是湿法设备的核心之一。先进制程对各种化学药液的输送提出更高的要求，例如：▶为了实现动态化学药液浓度切换，需要化学药液高精度在线混配，又如高温硫酸工艺，要求传输管路具备实时药液温度补偿功能，同时整套传输装置对超高纯树脂材料的要求也极为苛刻；
▶由于芯片结构线宽尺寸的进一步减小，要求设备实现对纳米级颗粒尺寸的控制，二流体清洗喷嘴是先进制程中实现纳米级颗粒去除的关键部件，喷嘴内部结构含有两相（液相、气相）通道，经喷嘴向晶圆表面喷射两相流体形成雾状微粒，使晶圆表面的颗粒克服黏附力——范德华力（Vander Waals Force），从而达到去除纳米级颗粒的目的；
▶晶圆卡盘结构是单片湿法设备承载晶圆的载体，其材质及加工工艺直接影响晶圆的清洗效果及设备运行稳定性，面对不同的湿法清洗工艺要求，晶圆卡盘也要相应改变，例如静电卡盘、新型伯努利（Bernoulli）气浮卡盘、晶圆表面分区加热卡盘等应运而生。
湿法设备工艺能力的进一步提升，一方面依赖更高性能的零部件，另一方面依赖各类超高纯材料，这两者的持续创新和发展推动湿法设备的持续更新变革。随着技术节点的不断发展，湿法清洗工艺步骤在先进逻辑、存储制程领域相对其他工艺占比最大，其工序超过 200 道。此外，考虑每类先进逻辑、存储制程的前道湿法工艺及后道湿法工艺的差别，再加上不同技术代的工艺要求和核心技术的不同，针对不同的湿法工艺应用场景，需要因地制宜采用不同的机台型号和配置，而由此带来的差异性技术需求，则需要湿法设备技术相应地做出改进。
