未來(lái)晶圓發(fā)展應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(lái)源：本站 日期：2019-06-11
晶圓發(fā)展晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱(chēng)為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，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99.999999999%。
近年來(lái)晶圓發(fā)展，國家對半導體行業(yè)越來(lái)越重視，已經(jīng)將集成電路作為重點(diǎn)發(fā)展的戰略產(chǎn)業(yè)之一。作為全球最重要的電子制造基地，中國的電子應用市場(chǎng)巨大，有著(zhù)廣闊的前景。盡管如此，我們仍不能過(guò)于驕傲，畢竟還有很多的技術(shù)等待著(zhù)去突破，除了芯片相關(guān)技術(shù)，晶圓的制造也是相對薄弱的環(huán)節。
電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，越往上游企業(yè)相對越少，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”的尖端技術(shù)，難度系數均是最高的一級，晶圓制造是比造芯片還要難的一門(mén)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(méi)幾家能造得出來(lái)。
據OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，全球能制造高純度電子級硅的企業(yè)不足100家，其中主要的15家硅晶圓廠(chǎng)壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上，沒(méi)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漲價(jià)，市場(chǎng)呈現一種繁榮景氣的形勢。
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(cháng)、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(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應得到冶金級硅，然后將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫反應，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)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(cháng)
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(zhù)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。
為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著(zhù)多晶硅熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著(zhù)籽晶作反方向旋轉，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(cháng)上去。用直拉法生長(cháng)后，單晶棒將按適當的尺寸進(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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雜，其難度在于半導體產(chǎn)品對晶圓的純度要求很高，純度需要達到99.999999999%或以上。
以硅晶片為例，硅從石英砂里提煉出來(lái)，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應只能得到純度約為98%的純硅，這對于微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因為半導體材料的電學(xué)特性對雜質(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移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結構臨時(shí)“復制”到硅片上的過(guò)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(guò)程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內構成，這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的，并且結合生成薄膜及去除特定部分，通過(guò)光刻工藝過(guò)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(guò)程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。
3、高端光刻機產(chǎn)能?chē)乐夭蛔?/span>
光刻機也叫掩模對準曝光機，曝光系統，光刻系統等，常用的光刻機是掩膜對準光刻。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、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機市場(chǎng)，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機的不足五家，在高端光刻機市場(chǎng)，中國企業(yè)幾乎全軍覆沒(méi)。
晶圓發(fā)展正是由于晶圓制造難度大，客戶(hù)對純度與尺寸的要求很高，全球的主要15家硅晶圓供應商壟斷了95%以上市場(chǎng)。
以信越半導體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng )、LG等為代表的晶圓企業(yè)幾乎供應了全球八成的半導體企業(yè)，而且長(cháng)期處于供不應求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠(chǎng)臺灣環(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，臺灣和日本的晶圓企業(yè)占據了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上，它們的優(yōu)勢非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。
中國這幾年對晶圓生產(chǎn)的重視，誕生了許多晶圓企業(yè)，逐步形成了長(cháng)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(guò)認證，預計年底能達到每個(gè)月10萬(wàn)片的產(chǎn)能。
綜述：隨著(zhù)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(lái)，晶圓制造工藝會(huì )越來(lái)越透明化，對于初創(chuàng )企業(yè)而言，通過(guò)學(xué)習“前輩們”的經(jīng)驗，將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決，挑戰巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場(chǎng)不應該只是這幾家的天下。
國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（SEMI）旗下硅晶圓制造者部門(mén)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(lái)到3084百萬(wàn)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(cháng)7．9％。SEMI主席Neil Weaver并看好今年硅晶圓市況持續強勁。
有鑒于硅晶圓需求高檔不墜，硅晶圓大廠(chǎng)環(huán)球晶圓（6488）日前決定斥資約4．49億美元擴充韓國12寸硅晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)能，并與地方政府達成合作協(xié)議，計劃于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）財報指出，在半導體需求支撐下，各尺寸硅晶圓需求強勁，其中12寸產(chǎn)品供不應求，8寸以下硅晶圓供給也呈現吃緊。
硅片是半導體產(chǎn)品最基礎的原材料，由于不可替代性而緊扼全球晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)能， 硅片在晶圓產(chǎn)品成本中的占比與晶圓廠(chǎng)設備折舊有關(guān)。根據SEMI的數據，2017年全球硅片市場(chǎng)規模約為75．8億美元，占晶圓制造材料市場(chǎng)的29．8％。
不同晶圓廠(chǎng)的折舊金額對成本的影響較大，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)半導體、華虹半導體為例，聯(lián)電和華虹半導體由于近年來(lái)有進(jìn)行擴產(chǎn)，因此折舊在總成本中占比較高，硅片成本對總成本影響較小，而先進(jìn)半導體、世界先進(jìn)折舊在總成本中占比較小，因此總成本對硅片成本較為敏感。而大部分8寸晶圓廠(chǎng)已折舊完畢，因此8寸晶圓廠(chǎng)對硅片的價(jià)格較為敏感。
供給方面，硅片的供應商主要有日本信越、SUMCO、臺灣的環(huán)球晶圓、德國的Silitronic、韓國SK Siltron等，前五大廠(chǎng)商合計市場(chǎng)占有率超過(guò)90％。此外，臺灣的合晶科技、Ferrotec也是8寸硅片的重要供應商。2017年底全球8寸硅片產(chǎn)能約為5．4 M／wpm。
隨著(zhù)全球8寸晶圓廠(chǎng)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METI的數據，2016 年初開(kāi)始日本國內8寸硅片生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量持續提升，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％。需求的持續增加刺激了8寸硅片在2017Q1供給緊張，并從2017H2開(kāi)始漲價(jià)，估計2017年全年漲價(jià)幅度約為3％（12 寸硅片漲價(jià)幅度達37％）。2018Q1 8寸硅片繼續緊缺并漲價(jià)約10％。
漲價(jià)幅度有限和擴產(chǎn)周期的雙重限制下，8寸硅片緊張的態(tài)勢短期內無(wú)法有效緩解。雖然2017年以來(lái)8寸硅片價(jià)格上漲10％以上，但是從長(cháng)周期來(lái)看當前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(chǎng)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，硅片巨頭的擴產(chǎn)意愿仍較小。另外硅片的擴產(chǎn)周期至少一年及以上，因此我們認為短期內8寸硅片短缺、價(jià)格上漲的態(tài)勢將會(huì )延續，硅片產(chǎn)能短缺或許將成為限制下游8寸晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能完全釋放的瓶頸。
目前在積極擴產(chǎn)8寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec，以及國內的Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）、AST（超硅）等。鄭州合晶硅材料生產(chǎn)項目于2017年7 月動(dòng)工，一期規劃每月20萬(wàn)片的8寸硅片產(chǎn)能，預計在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，Ferrotec負責生產(chǎn)8寸硅片，環(huán)球晶圓出技術(shù)與保證品質(zhì)。
規劃三期，每期規劃增加15萬(wàn)片8寸硅片月產(chǎn)能，預期2017年底第一期完成認證并量產(chǎn)。因此預計2018年全球8寸硅片產(chǎn)能將增加0．35M／wpe， 較2017年增長(cháng)約6％，整體硅片的供給較為緊張。
硅是由石英砂所精練出來(lái)的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著(zhù)是將這些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導體的材料，經(jīng)過(guò)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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