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99.999999999%。
近年來晶圓發(fā)展，國家對半導體行業(yè)越來越重視，已經(jīng)將集成電路作為重點發(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，中國的電子應(yīng)用市場巨大，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薄弱的環(huán)節(jié)。
電子產(chǎn)業(yè)有一個特點，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(shù)均是最高的一級，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。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，市場呈現(xiàn)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、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)得到冶金級硅，然后將粉碎的冶金級硅與氣態(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還原工藝，得到了高純度的多晶硅。
2、單晶硅生長
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，同時又不會產(chǎn)生不需要的化學反應(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)，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。
熔化的多晶硅會粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。用直拉法生長后，單晶棒將按適當?shù)某叽邕M行切割，然后進行研磨，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時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，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學反應(yīng)只能得到純度約為98%的純硅，這對于微電子器件來說不夠純，因為半導體材料的電學特性對雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此需要進一步提純。
而在進行硅的進一步提純工藝中，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“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，光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉(zhuǎn)化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。
3、高端光刻機產(chǎn)能嚴重不足
光刻機也叫掩模對準曝光機，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)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，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，中國企業(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。
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(yīng)了全球八成的半導體企業(yè)，而且長期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠臺灣環(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(jù)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英寸晶圓已通過認證，預(yù)計年底能達到每個月10萬片的產(chǎn)能。
綜述：隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，晶圓市場會更加緊俏，尤其是大尺寸、高純度的晶圓，巨大的市場前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動。未來，晶圓制造工藝會越來越透明化，對于初創(chuàng)企業(yè)而言，通過學習“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(zhàn)巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場不應(yīng)該只是這幾家的天下。
國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（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7．9％。SEMI主席Neil Weaver并看好今年硅晶圓市況持續(xù)強勁。
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4．49億美元擴充韓國12寸硅晶圓廠的產(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(yīng)求，8寸以下硅晶圓供給也呈現(xiàn)吃緊。
硅片是半導體產(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年全球硅片市場規(guī)模約為75．8億美元，占晶圓制造材料市場的29．8％。
不同晶圓廠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、先進半導體、華虹半導體為例，聯(lián)電和華虹半導體由于近年來有進行擴產(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，而先進半導體、世界先進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寸晶圓廠已折舊完畢，因此8寸晶圓廠對硅片的價格較為敏感。
供給方面，硅片的供應(yīng)商主要有日本信越、SUMCO、臺灣的環(huán)球晶圓、德國的Silitronic、韓國SK Siltron等，前五大廠商合計市場占有率超過90％。此外，臺灣的合晶科技、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，估計2017年全年漲價幅度約為3％（12 寸硅片漲價幅度達37％）。2018Q1 8寸硅片繼續(xù)緊缺并漲價約10％。
漲價幅度有限和擴產(chǎn)周期的雙重限制下，8寸硅片緊張的態(tài)勢短期內(nèi)無法有效緩解。雖然2017年以來8寸硅片價格上漲10％以上，但是從長周期來看當前8寸硅片價格仍處于歷史低位，從2007年至今8寸硅片價格下降約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(nèi)8寸硅片短缺、價格上漲的態(tài)勢將會延續(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。
目前在積極擴產(chǎn)8寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec，以及國內(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)項目于2017年7 月動工，一期規(guī)劃每月20萬片的8寸硅片產(chǎn)能，預(yù)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，F(xiàn)errotec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(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年底第一期完成認證并量產(chǎn)。因此預(yù)計2018年全球8寸硅片產(chǎn)能將增加0．35M／wpe， 較2017年增長約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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