未來晶圓發(fā)展應(yīng)用與硅晶圓制造步驟-晶圓制造到底難在哪里-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-06-11
晶圓發(fā)展晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能的集成電路產(chǎn)品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999999999%。
近年來晶圓發(fā)展，國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)越來越重視，已經(jīng)將集成電路作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。作為全球最重要的電子制造基地，中國(guó)的電子應(yīng)用市場(chǎng)巨大，有著廣闊的前景。盡管如此，我們?nèi)圆荒苓^于驕傲，畢竟還有很多的技術(shù)等待著去突破，除了芯片相關(guān)技術(shù)，晶圓的制造也是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。
電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，越往上游企業(yè)相對(duì)越少，技術(shù)難度越大，晶圓是造芯片的原材料，屬于芯片的上游。芯片、晶圓制造都屬于 “航天級(jí)”的尖端技術(shù)，難度系數(shù)均是最高的一級(jí)，晶圓制造是比造芯片還要難的一門技術(shù)。如果把芯片比作宇宙飛船，那么晶圓就是航空母艦了，沒幾家能造得出來。
據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，全球能制造高純度電子級(jí)硅的企業(yè)不足100家，其中主要的15家硅晶圓廠壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上，沒有所謂的“百花齊放”，有的是巨頭們的“孤芳自賞”，正是如此，全球的晶圓也是持續(xù)漲價(jià)，市場(chǎng)呈現(xiàn)一種繁榮景氣的形勢(shì)。
硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。
1、硅提煉及提純
硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。
2、單晶硅生長(zhǎng)
晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。
為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn)，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。
熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。用直拉法生長(zhǎng)后，單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。
晶圓制造廠把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。
3、晶圓成型
完成了上述兩道工藝， 硅晶棒再經(jīng)過切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片，這就是“晶圓”。
晶圓的制造工藝倒不是很復(fù)雜，其難度在于半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)晶圓的純度要求很高，純度需要達(dá)到99.999999999%或以上。
以硅晶片為例，硅從石英砂里提煉出來，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只能得到純度約為98%的純硅，這對(duì)于微電子器件來說不夠純，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此需要進(jìn)一步提純。
而在進(jìn)行硅的進(jìn)一步提純工藝中，光刻技術(shù)的難度很高，在晶圓制造工藝中，光刻是必須經(jīng)歷的一個(gè)步驟。
光刻工藝是晶圓制造最大的“一道坎”
晶圓制造中的光刻是指在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過程。
1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經(jīng)流程
由于晶圓生產(chǎn)工藝中，其表面會(huì)形成薄膜，這需要光刻技術(shù)將它去掉。在晶圓制造過程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成，這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分，通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。
2、光刻確定尺寸，馬虎不得
光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸，光刻過程中的錯(cuò)誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好，最終可轉(zhuǎn)化為對(duì)器件的電特性產(chǎn)生影響。
3、高端光刻機(jī)產(chǎn)能嚴(yán)重不足
光刻機(jī)也叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機(jī)市場(chǎng)，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機(jī)的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機(jī)的不足五家，在高端光刻機(jī)市場(chǎng)，中國(guó)企業(yè)幾乎全軍覆沒。
晶圓發(fā)展正是由于晶圓制造難度大，客戶對(duì)純度與尺寸的要求很高，全球的主要15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷了95%以上市場(chǎng)。
以信越半導(dǎo)體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng)、LG等為代表的晶圓企業(yè)幾乎供應(yīng)了全球八成的半導(dǎo)體企業(yè)，而且長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠臺(tái)灣環(huán)球晶圓為例，其晶圓訂單到2020年方可消化完全。
由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等原因，臺(tái)灣和日本的晶圓企業(yè)占據(jù)了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上，它們的優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。
中國(guó)這幾年對(duì)晶圓生產(chǎn)的重視，誕生了許多晶圓企業(yè)，逐步形成了長(zhǎng)三角、中西部為核心、輻射周邊的局面，目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的實(shí)力。據(jù)悉，12英寸晶圓方面也是好消息不斷，上海新昇近日表示，他們的12英寸晶圓已通過認(rèn)證，預(yù)計(jì)年底能達(dá)到每個(gè)月10萬片的產(chǎn)能。
綜述：隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，晶圓市場(chǎng)會(huì)更加緊俏，尤其是大尺寸、高純度的晶圓，巨大的市場(chǎng)前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動(dòng)。未來，晶圓制造工藝會(huì)越來越透明化，對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言，通過學(xué)習(xí)“前輩們”的經(jīng)驗(yàn)，將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決，挑戰(zhàn)巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場(chǎng)不應(yīng)該只是這幾家的天下。
國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）旗下硅晶圓制造者部門SMG（Silicon Manufacturers Group）最新公布，全球首季硅晶圓出貨總面積創(chuàng)史上新高，來到3084百萬平方英寸。
全球首季硅晶圓出貨量較前季增加3．6％，較去年同期成長(zhǎng)7．9％。SEMI主席Neil Weaver并看好今年硅晶圓市況持續(xù)強(qiáng)勁。
有鑒于硅晶圓需求高檔不墜，硅晶圓大廠環(huán)球晶圓（6488）日前決定斥資約4．49億美元擴(kuò)充韓國(guó)12寸硅晶圓廠的產(chǎn)能，并與地方政府達(dá)成合作協(xié)議，計(jì)劃于2020年完成。另外，日本硅晶圓巨頭SUMCO日前公布上季（2018年1－3月）財(cái)報(bào)指出，在半導(dǎo)體需求支撐下，各尺寸硅晶圓需求強(qiáng)勁，其中12寸產(chǎn)品供不應(yīng)求，8寸以下硅晶圓供給也呈現(xiàn)吃緊。
硅片是半導(dǎo)體產(chǎn)品最基礎(chǔ)的原材料，由于不可替代性而緊扼全球晶圓廠的產(chǎn)能， 硅片在晶圓產(chǎn)品成本中的占比與晶圓廠設(shè)備折舊有關(guān)。根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2017年全球硅片市場(chǎng)規(guī)模約為75．8億美元，占晶圓制造材料市場(chǎng)的29．8％。
不同晶圓廠的折舊金額對(duì)成本的影響較大，因此不同折舊比例下硅片在總成本中的比例差別較大，以聯(lián)電、世界先進(jìn)、先進(jìn)半導(dǎo)體、華虹半導(dǎo)體為例，聯(lián)電和華虹半導(dǎo)體由于近年來有進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，因此折舊在總成本中占比較高，硅片成本對(duì)總成本影響較小，而先進(jìn)半導(dǎo)體、世界先進(jìn)折舊在總成本中占比較小，因此總成本對(duì)硅片成本較為敏感。而大部分8寸晶圓廠已折舊完畢，因此8寸晶圓廠對(duì)硅片的價(jià)格較為敏感。
供給方面，硅片的供應(yīng)商主要有日本信越、SUMCO、臺(tái)灣的環(huán)球晶圓、德國(guó)的Silitronic、韓國(guó)SK Siltron等，前五大廠商合計(jì)市場(chǎng)占有率超過90％。此外，臺(tái)灣的合晶科技、Ferrotec也是8寸硅片的重要供應(yīng)商。2017年底全球8寸硅片產(chǎn)能約為5．4 M／wpm。
隨著全球8寸晶圓廠產(chǎn)能利用率的逐步提升，8寸硅片的投片量逐步提升，庫存水平逐漸下降。全球三分之一以上的8寸硅片在日本生產(chǎn)，根據(jù)METI的數(shù)據(jù)，2016 年初開始日本國(guó)內(nèi)8寸硅片生產(chǎn)量和銷售量持續(xù)提升，而庫存水平逐漸下降，存貨比率從最高點(diǎn)的90％下降至了2017年年底的44％。需求的持續(xù)增加刺激了8寸硅片在2017Q1供給緊張，并從2017H2開始漲價(jià)，估計(jì)2017年全年漲價(jià)幅度約為3％（12 寸硅片漲價(jià)幅度達(dá)37％）。2018Q1 8寸硅片繼續(xù)緊缺并漲價(jià)約10％。
漲價(jià)幅度有限和擴(kuò)產(chǎn)周期的雙重限制下，8寸硅片緊張的態(tài)勢(shì)短期內(nèi)無法有效緩解。雖然2017年以來8寸硅片價(jià)格上漲10％以上，但是從長(zhǎng)周期來看當(dāng)前8寸硅片價(jià)格仍處于歷史低位，從2007年至今8寸硅片價(jià)格下降約40％，大部分硅片廠的8寸硅片產(chǎn)品已虧損多年，因此即使8寸硅片價(jià)格上漲，硅片巨頭的擴(kuò)產(chǎn)意愿仍較小。另外硅片的擴(kuò)產(chǎn)周期至少一年及以上，因此我們認(rèn)為短期內(nèi)8寸硅片短缺、價(jià)格上漲的態(tài)勢(shì)將會(huì)延續(xù)，硅片產(chǎn)能短缺或許將成為限制下游8寸晶圓廠產(chǎn)能完全釋放的瓶頸。
目前在積極擴(kuò)產(chǎn)8寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec，以及國(guó)內(nèi)的Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）、AST（超硅）等。鄭州合晶硅材料生產(chǎn)項(xiàng)目于2017年7 月動(dòng)工，一期規(guī)劃每月20萬片的8寸硅片產(chǎn)能，預(yù)計(jì)在2018年第一季度完工量產(chǎn)。2017年年中，環(huán)球晶圓與Ferrotec宣布合作，F(xiàn)errotec負(fù)責(zé)生產(chǎn)8寸硅片，環(huán)球晶圓出技術(shù)與保證品質(zhì)。
規(guī)劃三期，每期規(guī)劃增加15萬片8寸硅片月產(chǎn)能，預(yù)期2017年底第一期完成認(rèn)證并量產(chǎn)。因此預(yù)計(jì)2018年全球8寸硅片產(chǎn)能將增加0．35M／wpe， 較2017年增長(zhǎng)約6％，整體硅片的供給較為緊張。
硅是由石英砂所精練出來的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著是將這些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，經(jīng)過照相制版，研磨，拋光，切片等程序，將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圓。
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