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鏈接: 芯片制造詳解02：晶圓的誕生｜國產(chǎn)之路第一關(guān)：硅片的制造

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文章目錄

• 1硅片的制造
• • 1. 截段
  • 2.滾磨
  • 3. 磨研定位邊（槽）
  • 4. 切片
  • 5. 磨片
  • 6. 倒角
  • 7.刻蝕
  • 8.化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）
  • 9. 濕法清洗
  • 10.檢測封裝
• 2硅片市場
• • 1.硅片市場占比
  • 2.硅片指標(biāo)
  • 3.芯片產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模
  • 4.國內(nèi)硅片市場難題

1硅片的制造

????硅片就是光禿禿的晶圓，經(jīng)過光刻、外延、刻蝕等操作，變成包含有數(shù)百枚芯片的成熟晶圓，再經(jīng)過切割，封裝成一個個獨(dú)立的芯片。

1. 截段

????首先硅棒會被截去硅頭和硅尾，切下來的部分如果質(zhì)量好，可以削成籽晶，用來拉出新的硅棒。接下來用四探針法，測量棒身的電阻率，以此來檢查軸向的雜質(zhì)濃度是否異常。檢測完成后，將其裁成30cm左右長度的硅段，然后進(jìn)入下一道工序——磨滾。

2.滾磨

????將硅段固定在機(jī)器上緩慢滾動，用側(cè)面的金剛石砂輪對棒身進(jìn)行打磨，由于直拉法無法精確控制晶體生長來獲得完美的圓柱體，首先得拉出一個粗一點的硅棒，再通過滾磨得到想要的目標(biāo)尺寸，該步驟會大量摩擦發(fā)熱，需要持續(xù)加水降溫。

3. 磨研定位邊（槽）

????滾磨完成后，在硅段側(cè)面磨出一個平面或一道溝槽，這就是以后硅片上的定位邊（flat）或者點位槽（notch），光刻機(jī)需要通過他們來對硅片進(jìn)行最開始的定位和校準(zhǔn)，在業(yè)界，定位邊還有一個小作用，就是表明硅片的類型和晶向。

4. 切片

????以前普遍用內(nèi)圓切割機(jī)，差不多是帶有環(huán)形刀片的狗頭鍘，有點是切割穩(wěn)定，切面平整，但是效率低，一次只能切一片，而且由于刃口較厚，切割時損耗的硅料較多，不適合處理相對于更薄更大尺寸硅片；目前主流的切片方式是使用金剛線的多線切割機(jī)，也就是上面固定金剛石顆粒的鋼絲線同時對硅段進(jìn)行多段切割，線切法雖然不如傳統(tǒng)刀片穩(wěn)定，后續(xù)硅片打磨時間也更長，但勝在切割效率高損耗低。

5. 磨片

????切下來的硅片會先經(jīng)過一遍機(jī)械打磨，讓表面更加平整且讓整體更薄，比如12英寸的硅片通過磨片會將厚度減少到775微米左右，同時硅片還要做背損傷（backside rounghening），人為制造一個粗糙的背部，比如在背面噴砂或者沉積一層多晶硅，這樣是為了在底部制造大量晶體缺陷作為陷阱，把后續(xù)工藝中不想要的金屬雜質(zhì)困在底層，從而保護(hù)上層的器件。

6. 倒角

????通過倒角機(jī)把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形——因為高純度硅是一種脆性很高的材料，如此處理可以降低邊緣處發(fā)生崩裂（chipping）的風(fēng)險。除此以外，有弧度的邊角在后續(xù)的芯片制造工藝中還有兩個作用，一實在光刻時，光刻膠是通過旋轉(zhuǎn)的方式涂抹在硅片表面上的，如果邊緣是直角邊，光刻膠容易因為離心力在邊緣處累積造成厚度不均從而影響光刻；二是在外延生長時，沉積物會優(yōu)先堆積在直角邊影響沉積效果，而圓弧狀的角可以消除邊緣沉積的現(xiàn)象（Edge Crown）。

7.刻蝕

????磨片倒角完成后，廠商會對硅片打上激光標(biāo)識碼再進(jìn)行一遍精磨去除10微米的厚度，然后放入溶劑中進(jìn)行化學(xué)刻蝕，通常使用氫硝酸和氫氟酸腐蝕掉表面約20~50微米左右的厚度，來去除之前打磨過程中硅片積累的機(jī)械損傷以及混入硅片表層的磨料

• Si+HNO₃+6HF —20℃—> H₂SiF₆+HNO₂+H₂O

8.化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）

????到此為止硅片表面已經(jīng)很光滑了，但是制造芯片還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，根據(jù)04年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖，12寸的硅片整體平整度要小于51納米，相當(dāng)于在電影院掛一塊IMAX幕布起伏比一根頭發(fā)絲還要細(xì)，為了達(dá)到這種極致的平坦，需要對硅片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical-Mechanical Polishing），這一步結(jié)合了物理化學(xué)的理綜型拋光手段。將硅片裝在旋轉(zhuǎn)的拋光儀器上，下降到下方，表面薄層會先被研磨液化學(xué)氧化，再被拋光墊物理打磨，這一步硅片厚度會再打薄5微米左右，直到被拋光成完美的鏡面。通常對8英寸硅片進(jìn)行單面拋光，12英寸硅片進(jìn)行雙面拋光。

9. 濕法清洗

????用去離子水和各種化學(xué)溶劑進(jìn)行清洗，去掉制程中黏附在表面的各種塵埃和雜質(zhì)，顆粒物要求尺寸只有幾納米，比無菌手術(shù)還嚴(yán)格，一粒流感病毒直徑就有100納米，細(xì)菌就更大了，所以很多硅片廠或晶圓廠的員工得了感冒必須休假，否則打一個噴嚏都可能污染芯片，這也是疫情對芯片產(chǎn)業(yè)打擊格外嚴(yán)重的原因之一。

10.檢測封裝

????在平整度、清潔度之外，硅片還要保證翹曲度、氧含量、金屬殘余量等指標(biāo)，要經(jīng)過電鏡檢查、光學(xué)散射等各種檢測達(dá)標(biāo)后，一張硅片才算合格。它將被放在充滿氮?dú)獾拿芊夂欣?#xff0c;然后送往晶圓廠。

2硅片市場

1.硅片市場占比

????目前芯片市場主要控制在5家公司手中

地區(qū)公司占比

日本	信越化工	33%
日本	勝高集團(tuán)	25%
中國臺灣	環(huán)球晶圓	17%
德國	世創(chuàng)	13%
韓國	SK Siltron	12%

????5家公司一共占領(lǐng)全球90%的硅片供應(yīng)。日本是第一個實現(xiàn)了12英寸大硅片量產(chǎn)的國家，此后一直保持著硅片技術(shù)上的先發(fā)優(yōu)勢。環(huán)球晶圓是一家2011年才成立的企業(yè)，靠著從中美矽晶繼承下來的技術(shù)累積以及近幾年強(qiáng)勢的并購擴(kuò)張，迅速成長為硅片市場第三，22年下半年它還將并購第四的德國世創(chuàng)，屆時市占率將超過30%，與信越化工爭奪第一。

2.硅片指標(biāo)

????光伏級單晶硅的純度要求99.9999%，而半導(dǎo)體的純度要求10~11個9，雖然兩者制作流程基本相同，但是在廠房設(shè)備和控制精度上相差懸殊。
????硅片的尺寸有很多種，8英寸和12英寸指的是200和300毫米直徑的硅片或晶圓。理論上直徑越大越好，這樣單片晶圓產(chǎn)出的芯片更多，而且硅片邊緣處的殘損芯片（edge die）占比更少，提高了生產(chǎn)良率，分?jǐn)偭酥圃斐杀?#xff0c;但是大硅片在工藝和設(shè)備上的門檻也更高。目前8英寸廣發(fā)應(yīng)用于90納米以上的成熟制程，汽車的傳感器和功率器件大部分都是來自于8英寸硅片；12英寸的大硅片則用于更先進(jìn)的制程，電腦CPU、顯卡和手機(jī)存儲卡基本都產(chǎn)自12英寸硅片。

3.芯片產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模

????目前我國生產(chǎn)的單晶硅料和硅片絕大部分都是光伏級，從全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，光伏產(chǎn)業(yè)全球市場份額在1000億美元左右的規(guī)模，近年的生產(chǎn)和市場增量基本都在我國——但用來做芯片的半導(dǎo)體級硅片，大陸的企業(yè)產(chǎn)能占比驟降到不到5%，雖然半導(dǎo)體硅片的市場規(guī)模只有100多億美元，看上去沒什么肉，但別忘了，這只是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，越往下走，利潤就會以指數(shù)形式增長，有了硅片，就可以造芯片，芯片的市場規(guī)模高達(dá)4000億美元，然后才能生產(chǎn)電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品，到這就是遠(yuǎn)超光伏級產(chǎn)業(yè)的萬億美元級別，民用和軍工大市場。真?zhèn)€半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，上中游三層，每一層都是下一層的入場券。

產(chǎn)品全球市場規(guī)模

光伏級硅片	~1000億美元
半導(dǎo)體級硅片	~112美元
芯片	4000億美元
電子產(chǎn)品	16800億美元

4.國內(nèi)硅片市場難題

成本：半導(dǎo)體硅料和硅片屬于上游市場，規(guī)模不大，利潤不高，但是投入巨大，成本高昂，需要大量資金支持。

設(shè)備：以最源頭的單晶爐為例，各大硅片寡頭都有自己的獨(dú)家供應(yīng)商，信越化工甚至能自己制造單晶爐讓外界買不到同款，而后續(xù)的生產(chǎn)流程，國內(nèi)的硅片廠商基本都采用進(jìn)口設(shè)備，倒角機(jī)主要來自日本的東京精密和打途電子，多線切割機(jī)來自日本的NTC和瑞士的Slicing Tech；這些設(shè)備雖然能找到國產(chǎn)替代，但質(zhì)量和精度往往差距較大，尤其是關(guān)鍵步驟的CMP，物料部分如拋光墊和研磨液尚能國產(chǎn)，但設(shè)備本身完全依賴進(jìn)口。

晶圓廠對硅片寡頭的路徑依賴：從光禿禿的硅片變成包含數(shù)百枚芯片的晶圓，這中間要經(jīng)歷動輒數(shù)十門設(shè)備和上千道工序，成本巨大所以從源頭的工藝驗證階段，晶圓廠就要和硅片供應(yīng)商緊密合作，而一款工藝成熟之后，晶圓廠就不會貿(mào)然更換其他供應(yīng)商的硅片，否則生產(chǎn)良率和芯片的可靠性一旦受到影響，成本和代價就太大了

研發(fā)投入和人才培養(yǎng)：歸根結(jié)底都是得花錢

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的芯片制造过程2的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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