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未来晶圆发展应用与硅晶圆制造步骤-晶圆制造到底难在哪里-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-06-11 

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晶圆发展

晶圆

晶圆发展晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能的集成电路产品。晶圆的原始材料是硅,而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。


晶圆发展


晶圆发展-了解晶圆未来发展与制造步骤

近年来晶圆发展,国家对半导体行业越来越重视,已经将集成电路作为重点发展的战略产业之一。作为全球最重要的电子制造基地,中国的电子应用市场巨大,有着广阔的前景。尽管如此,我们仍不能过于骄傲,毕竟还有很多的技术等待着去突破,除了芯片相关技术,晶圆的制造也是相对薄弱的环节。


电子产业有一个特点,越往上游企业相对越少,技术难度越大,晶圆是造芯片的原材料,属于芯片的上游。芯片、晶圆制造都属于 “航天级”的尖端技术,难度系数均是最高的一级,晶圆制造是比造芯片还要难的一门技术。如果把芯片比作宇宙飞船,那么晶圆就是航空母舰了,没几家能造得出来。


据OFweek电子工程网获悉,全球能制造高纯度电子级硅的企业不足100家,其中主要的15家硅晶圆厂垄断95%以上的市场。在晶圆制造上,没有所谓的“百花齐放”,有的是巨头们的“孤芳自赏”,正是如此,全球的晶圆也是持续涨价,市场呈现一种繁荣景气的形势。


硅晶圆制造的三大步骤

硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的制造有三大步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。


1、硅提炼及提纯

硅的提纯是第一道工序,需将沙石原料放入一个温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中,在高温下发生还原反应得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅。


2、单晶硅生长


晶圆发展


晶圆企业常用的是直拉法,如上图所示,高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,并用外面围绕着的石墨加热器不断加热,温度维持在大约一千多摄氏度,炉中的空气通常是惰性气体,使多晶硅熔化,同时又不会产生不需要的化学反应。


为了形成单晶硅,还需要控制晶体的方向,坩埚带着多晶硅熔化物在旋转,把一颗籽晶浸入其中,并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。


熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。用直拉法生长后,单晶棒将按适当的尺寸进行切割,然后进行研磨,再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜,这时候晶圆片就制造完成了。


晶圆制造厂把这些多晶硅融解,再在融液里种入籽晶,然后将其慢慢拉出,以形成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成。


3、晶圆成型

完成了上述两道工艺, 硅晶棒再经过切段,滚磨,切片,倒角,抛光,激光刻,包装后,即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片,这就是“晶圆”。


晶圆制造到底难在哪?

晶圆的制造工艺倒不是很复杂,其难度在于半导体产品对晶圆的纯度要求很高,纯度需要达到99.999999999%或以上。


以硅晶片为例,硅从石英砂里提炼出来,在高温下,碳和里面的二氧化硅发生化学反应只能得到纯度约为98%的纯硅,这对于微电子器件来说不够纯,因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此需要进一步提纯。


而在进行硅的进一步提纯工艺中,光刻技术的难度很高,在晶圆制造工艺中,光刻是必须经历的一个步骤。


光刻工艺是晶圆制造最大的“一道坎”

晶圆制造中的光刻是指在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。


1、光刻去薄膜是晶圆制造的必经流程

由于晶圆生产工艺中,其表面会形成薄膜,这需要光刻技术将它去掉。在晶圆制造过程中,晶体、电容、电阻等在晶圆表面或表层内构成,这些部件是每次在一个掩膜层上生成的,并且结合生成薄膜及去除特定部分,通过光刻工艺过程,最终在晶圆上保留特征图形的部分。


2、光刻确定尺寸,马虎不得

光刻确定了器件的关键尺寸,光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好,最终可转化为对器件的电特性产生影响。


3、高端光刻机产能严重不足

光刻机也叫掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,常用的光刻机是掩膜对准光刻。光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。目前光刻机市场,以荷兰、日本的企业为主力军,全球能制造出光刻机的企业不足百家,能造出顶尖的光刻机的不足五家,在高端光刻机市场,中国企业几乎全军覆没。


15家硅晶圆供应商垄断95%以上市场

晶圆发展正是由于晶圆制造难度大,客户对纯度与尺寸的要求很高,全球的主要15家硅晶圆供应商垄断了95%以上市场。


晶圆发展


以信越半导体、盛高、环球晶圆、世创、LG等为代表的晶圆企业几乎供应了全球八成的半导体企业,而且长期处于供不应求的状态。以全球第三大晶圆厂台湾环球晶圆为例,其晶圆订单到2020年方可消化完全。


晶圆发展


由于布局早、产业链成熟等原因,台湾和日本的晶圆企业占据了全球主要产能。技术上,它们的优势非常明显,尤其是在大尺寸的晶圆生产上。


中国这几年对晶圆生产的重视,诞生了许多晶圆企业,逐步形成了长三角、中西部为核心、辐射周边的局面,目前很多企业都具备8英寸晶圆的实力。据悉,12英寸晶圆方面也是好消息不断,上海新昇近日表示,他们的12英寸晶圆已通过认证,预计年底能达到每个月10万片的产能。


综述:随着AI、物联网的发展,晶圆市场会更加紧俏,尤其是大尺寸、高纯度的晶圆,巨大的市场前景也让很多企业蠢蠢欲动。未来,晶圆制造工艺会越来越透明化,对于初创企业而言,通过学习“前辈们”的经验,将晶圆工艺中的这些技术难题逐一解决,挑战巨头的地位就多了些筹码,晶圆市场不应该只是这几家的天下。


2018年全球首季硅晶圆出货创史上新高

国际半导体产业协会(SEMI)旗下硅晶圆制造者部门SMG(Silicon Manufacturers Group)最新公布,全球首季硅晶圆出货总面积创史上新高,来到3084百万平方英寸。


晶圆发展


全球首季硅晶圆出货量较前季增加3.6%,较去年同期成长7.9%。SEMI主席Neil Weaver并看好今年硅晶圆市况持续强劲。


有鉴于硅晶圆需求高档不坠,硅晶圆大厂环球晶圆(6488)日前决定斥资约4.49亿美元扩充韩国12寸硅晶圆厂的产能,并与地方政府达成合作协议,计划于2020年完成。另外,日本硅晶圆巨头SUMCO日前公布上季(2018年1-3月)财报指出,在半导体需求支撑下,各尺寸硅晶圆需求强劲,其中12寸产品供不应求,8寸以下硅晶圆供给也呈现吃紧。


硅片是半导体产品最基础的原材料,由于不可替代性而紧扼全球晶圆厂的产能, 硅片在晶圆产品成本中的占比与晶圆厂设备折旧有关。根据SEMI的数据,2017年全球硅片市场规模约为75.8亿美元,占晶圆制造材料市场的29.8%。


不同晶圆厂的折旧金额对成本的影响较大,因此不同折旧比例下硅片在总成本中的比例差别较大,以联电、世界先进、先进半导体、华虹半导体为例,联电和华虹半导体由于近年来有进行扩产,因此折旧在总成本中占比较高,硅片成本对总成本影响较小,而先进半导体、世界先进折旧在总成本中占比较小,因此总成本对硅片成本较为敏感。而大部分8寸晶圆厂已折旧完毕,因此8寸晶圆厂对硅片的价格较为敏感。


供给方面,硅片的供应商主要有日本信越、SUMCO、台湾的环球晶圆、德国的Silitronic、韩国SK Siltron等,前五大厂商合计市场占有率超过90%。此外,台湾的合晶科技、Ferrotec也是8寸硅片的重要供应商。2017年底全球8寸硅片产能约为5.4 M/wpm。


随着全球8寸晶圆厂产能利用率的逐步提升,8寸硅片的投片量逐步提升,库存水平逐渐下降。全球三分之一以上的8寸硅片在日本生产,根据METI的数据,2016 年初开始日本国内8寸硅片生产量和销售量持续提升,而库存水平逐渐下降,存货比率从最高点的90%下降至了2017年年底的44%。需求的持续增加刺激了8寸硅片在2017Q1供给紧张,并从2017H2开始涨价,估计2017年全年涨价幅度约为3%(12 寸硅片涨价幅度达37%)。2018Q1 8寸硅片继续紧缺并涨价约10%。


涨价幅度有限和扩产周期的双重限制下,8寸硅片紧张的态势短期内无法有效缓解。虽然2017年以来8寸硅片价格上涨10%以上,但是从长周期来看当前8寸硅片价格仍处于历史低位,从2007年至今8寸硅片价格下降约40%,大部分硅片厂的8寸硅片产品已亏损多年,因此即使8寸硅片价格上涨,硅片巨头的扩产意愿仍较小。另外硅片的扩产周期至少一年及以上,因此我们认为短期内8寸硅片短缺、价格上涨的态势将会延续,硅片产能短缺或许将成为限制下游8寸晶圆厂产能完全释放的瓶颈。


目前在积极扩产8寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec,以及国内的Gritek(有研新材)、JRH(金瑞泓)、AST(超硅)等。郑州合晶硅材料生产项目于2017年7 月动工,一期规划每月20万片的8寸硅片产能,预计在2018年第一季度完工量产。2017年年中,环球晶圆与Ferrotec宣布合作,Ferrotec负责生产8寸硅片,环球晶圆出技术与保证品质。


规划三期,每期规划增加15万片8寸硅片月产能,预期2017年底第一期完成认证并量产。因此预计2018年全球8寸硅片产能将增加0.35M/wpe, 较2017年增长约6%,整体硅片的供给较为紧张。


晶圆的基本材料

硅是由石英砂所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,经过照相制版,研磨,抛光,切片等程序,将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的晶圆。


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