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鏈接: 芯片制造詳解02：晶圓的誕生｜國產之路第一關：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.化學機械拋光（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
  • 3.芯片產業鏈規模
  • 4.國內硅片市場難題

1硅片的制造

????硅片就是光禿禿的晶圓，經過光刻、外延、刻蝕等操作，變成包含有數百枚芯片的成熟晶圓，再經過切割，封裝成一個個獨立的芯片。

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，然后進入下一道工序——磨滾。

2.滾磨

????將硅段固定在機器上緩慢滾動，用側面的金剛石砂輪對棒身進行打磨，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尺寸，該步驟會大量摩擦發熱，需要持續加水降溫。

3. 磨研定位邊（槽）

????滾磨完成后，在硅段側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），光刻機需要通過他們來對硅片進行最開始的定位和校準，在業界，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

????以前普遍用內圓切割機，差不多是帶有環形刀片的狗頭鍘，有點是切割穩定，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，也就是上面固定金剛石顆粒的鋼絲線同時對硅段進行多段切割，線切法雖然不如傳統刀片穩定，后續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過一遍機械打磨，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，把后續工藝中不想要的金屬雜質困在底層，從而保護上層的器件。

6. 倒角

????通過倒角機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生崩裂（chipping）的風險。除此以外，有弧度的邊角在后續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象（Edge Crown）。

7.刻蝕

????磨片倒角完成后，廠商會對硅片打上激光標識碼再進行一遍精磨去除10微米的厚度，然后放入溶劑中進行化學刻蝕，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械損傷以及混入硅片表層的磨料

• Si+HNO₃+6HF —20℃—> H₂SiF₆+HNO₂+H₂O

8.化學機械拋光（CMP）

????到此為止硅片表面已經很光滑了，但是制造芯片還遠遠不夠，根據04年國際半導體技術發展藍圖，12寸的硅片整體平整度要小于51納米，相當于在電影院掛一塊IMAX幕布起伏比一根頭發絲還要細，為了達到這種極致的平坦，需要對硅片進行化學機械拋光（Chemical-Mechanical Polishing），這一步結合了物理化學的理綜型拋光手段。將硅片裝在旋轉的拋光儀器上，下降到下方，表面薄層會先被研磨液化學氧化，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英寸硅片進行單面拋光，12英寸硅片進行雙面拋光。

9. 濕法清洗

????用去離子水和各種化學溶劑進行清洗，去掉制程中黏附在表面的各種塵埃和雜質，顆粒物要求尺寸只有幾納米，比無菌手術還嚴格，一粒流感病毒直徑就有100納米，細菌就更大了，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業打擊格外嚴重的原因之一。

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，要經過電鏡檢查、光學散射等各種檢測達標后，一張硅片才算合格。它將被放在充滿氮氣的密封盒里，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

地區公司占比

日本	信越化工	33%
日本	勝高集團	25%
中國臺灣	環球晶圓	17%
德國	世創	13%
韓國	SK Siltron	12%

????5家公司一共占領全球90%的硅片供應。日本是第一個實現了12英寸大硅片量產的國家，此后一直保持著硅片技術上的先發優勢。環球晶圓是一家2011年才成立的企業，靠著從中美矽晶繼承下來的技術累積以及近幾年強勢的并購擴張，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，屆時市占率將超過30%，與信越化工爭奪第一。

2.硅片指標

????光伏級單晶硅的純度要求99.9999%，而半導體的純度要求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，提高了生產良率，分攤了制造成本，但是大硅片在工藝和設備上的門檻也更高。目前8英寸廣發應用于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的制程，電腦CPU、顯卡和手機存儲卡基本都產自12英寸硅片。

3.芯片產業鏈規模

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

產品全球市場規模

光伏級硅片	~1000億美元
半導體級硅片	~112美元
芯片	4000億美元
電子產品	16800億美元

4.國內硅片市場難題

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

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

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百枚芯片的晶圓，這中間要經歷動輒數十門設備和上千道工序，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商緊密合作，而一款工藝成熟之后，晶圓廠就不會貿然更換其他供應商的硅片，否則生產良率和芯片的可靠性一旦受到影響，成本和代價就太大了

研發投入和人才培養：歸根結底都是得花錢

總結

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

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