半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，它連接著自基礎(chǔ)材料至高端科技產(chǎn)品的每一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其全球化、長(zhǎng)鏈條、高科技、高投入及長(zhǎng)周期的特性，使得產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的企業(yè)均扮演至關(guān)重要的角色。

本期，我們將詳細(xì)介紹半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)：晶圓制造。

Part.01  原材料——石英礦

半導(dǎo)體集成電路制造的基礎(chǔ)原材料為硅片，而構(gòu)成硅片的基本元素是硅。硅作為地球上含量第二豐富的元素，通常以二氧化硅(SiO2)的形式存在于石英中，而石英則廣泛分布于沙子之中。然而，由于天然沙子中混雜著多種礦物和雜質(zhì)，其成分比例和種類因沙源和形成環(huán)境的差異而大相徑庭，故不適宜直接用作半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)的原料。相比之下，自然界中的石英礦因其純凈度高、二氧化硅含量豐富而成為半導(dǎo)體硅片制造的主要來(lái)源。

石英礦原石

Part.02  電子級(jí)硅的加工生產(chǎn)

石英砂，源于石英礦開(kāi)采，加工后轉(zhuǎn)化為電子級(jí)硅，是半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵材料。電子級(jí)硅，全稱為Electronic-Grade Silicon，簡(jiǎn)稱EG-Si，是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域所依賴的高純度硅材料。其純度標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)苛，通常要求硅含量超過(guò)99.9999%，即達(dá)到6N的純度水平。而對(duì)于半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)，所需的則是更為精純的超高純度電子級(jí)硅，其純度標(biāo)準(zhǔn)更是高達(dá)99.9999999%～99.999999999%，相當(dāng)于9N或11N的純度水平。要想加工得到電子級(jí)硅的材料，涉及多個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，才能實(shí)現(xiàn)將其中的二氧化硅(化學(xué)式：SiO2)一步步提純加工為電子級(jí)硅(化學(xué)式：Si)。

如上圖所示，高純度冶金級(jí)硅的生產(chǎn)過(guò)程通常在電弧爐中完成。在這一過(guò)程中，使用碳質(zhì)還原劑(如石油焦和木炭)將二氧化硅還原為硅。這一基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)方程式為SiO2 + C = Si + CO2，通過(guò)這一反應(yīng)，可以生產(chǎn)出純度達(dá)到99%以上的冶金級(jí)硅。

隨后，進(jìn)入電子級(jí)硅的生產(chǎn)階段，需要對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行進(jìn)一步的提純。目前主流工藝通常采用改良西門子法(也稱為三氯氫硅法)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。改良西門子法是一種化學(xué)工藝，首先利用純度要求在99.5%以上的冶金硅與氯化氫(HCl)合成產(chǎn)生便于提純的三氯氫硅氣體(SiHCl3，下文簡(jiǎn)稱TCS)。接著，通過(guò)精餾提純TCS，最后利用還原反應(yīng)和化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)，將高純度的TCS轉(zhuǎn)化為高純度的電子級(jí)硅。此時(shí)的硅以多晶硅的形態(tài)存在，與單晶硅相對(duì)應(yīng)。多晶硅的純度可達(dá)到99.9999999%(9N)或更高。

至此，半導(dǎo)體原材料中最重要的多晶硅已經(jīng)制備完成。多晶硅是由數(shù)量眾多的小硅晶體或微硅晶體構(gòu)成的材料。在全球范圍內(nèi)，知名的半導(dǎo)體電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)商包括美國(guó)的HSC(Hemlock Semiconductor)、德國(guó)的瓦克化學(xué)公司(Wacker Chemie)以及韓國(guó)的OCI等。

半導(dǎo)體多晶硅

Part.03  半導(dǎo)體硅片的加工生產(chǎn)

多晶硅材料并不適宜直接應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路的制造，原因在于其內(nèi)部由眾多微小晶粒構(gòu)成，這些晶粒在材料內(nèi)部呈現(xiàn)無(wú)序排列。此種結(jié)構(gòu)特性對(duì)于電子行為的影響顯著，進(jìn)而對(duì)集成電路制造過(guò)程中的晶體管性能與效率產(chǎn)生較大干擾。因此，多晶硅材料并不適合直接用于集成電路芯片的制造流程。相對(duì)而言，單晶硅材料以其規(guī)則且單一的晶體結(jié)構(gòu)，確保了晶體的均勻性與完整性，對(duì)于集成電路芯片的性能具有至關(guān)重要的作用。因此，需將多晶硅材料經(jīng)過(guò)特定工藝轉(zhuǎn)化為單晶硅材料。其中，最具代表性的加工工藝為柴可拉斯基法(Czochralski Process，簡(jiǎn)稱CZ法)，此法源于波蘭化學(xué)家揚(yáng)·柴可拉斯基在1916年對(duì)金屬結(jié)晶速率的研究，后來(lái)此法在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為半導(dǎo)體單晶硅材料生長(zhǎng)的主要方式。

多晶硅材料被置于石英坩堝中，通過(guò)加熱至熔融狀態(tài)。在此過(guò)程中，硼原子或磷原子的雜質(zhì)原子被精確且定量地?fù)饺肴廴诠柚小＿@一步驟使得硅轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的P型或N型硅，從而滿足半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)所需的材料條件。

接下來(lái)，將籽晶(亦稱為“晶種”)置于一根精確定向的棒的末端，并使其末端浸入熔融硅中。隨后，通過(guò)緩慢向上提拉棒的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以及對(duì)棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率等參數(shù)進(jìn)行精確控制，棒的末端逐漸開(kāi)始生長(zhǎng)結(jié)晶。最終，一根具有特定直徑的圓柱狀單晶硅棒，也稱為單晶晶錠，得以完成生長(zhǎng)。

此生產(chǎn)工藝中，最為核心的制造設(shè)備是半導(dǎo)體單晶爐。目前，主導(dǎo)這一核心半導(dǎo)體級(jí)單晶爐設(shè)備市場(chǎng)的主要是美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的廠商，其中的代表性企業(yè)包括美國(guó)的Kayex、德國(guó)的PVA TePla AG以及日本的Ferrotec等。同時(shí)，值得一提的是，日本的信越化學(xué)和SUMCO不僅是全球排名前二的半導(dǎo)體大硅片(晶圓)生產(chǎn)商，它們還擁有自主研發(fā)的半導(dǎo)體單晶爐設(shè)備，用于自身的晶圓生產(chǎn)制造。相比之下，國(guó)內(nèi)的廠商起步較晚，但已有一些代表性企業(yè)如晶盛機(jī)電、南京晶能、北方華創(chuàng)等開(kāi)始在這一領(lǐng)域嶄露頭角。

在獲得晶錠(硅棒)后，接下來(lái)的關(guān)鍵步驟是通過(guò)精細(xì)加工將其逐漸轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體集成電路所需的硅片，業(yè)內(nèi)通常稱之為晶圓(Wafer)。這一過(guò)程同樣需要遵循一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)工藝步驟，具體包括切割(Slicing)、倒角(Beveling)、研磨(Lapping)、蝕刻(Etching)、拋光(Polishing)以及清洗與檢測(cè)(清潔和檢查)等環(huán)節(jié)。只有經(jīng)過(guò)這些精細(xì)的工藝流程，我們才能獲得符合半導(dǎo)體集成電路芯片生產(chǎn)要求的硅片(Polished Wafer)。在全球范圍內(nèi)，知名的半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)商包括日本的信越化學(xué)、SUMCO，中國(guó)臺(tái)灣的環(huán)球晶圓(GlobalWafers)等。相對(duì)而言，中國(guó)大陸在大硅片晶圓領(lǐng)域尚處于發(fā)展階段，一些如滬硅產(chǎn)業(yè)、新昇半導(dǎo)體等企業(yè)在努力實(shí)現(xiàn)300毫米大晶圓(12寸晶圓)的國(guó)產(chǎn)化，以期在這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破。

半導(dǎo)體硅棒、硅片

Part.04  關(guān)于晶圓(硅片)尺寸

關(guān)于常見(jiàn)的12寸晶圓、8寸晶圓等表述，實(shí)際上所指的是晶圓的直徑大小。具體而言，12寸晶圓直徑相當(dāng)于12英寸(inch)，大致等同于300毫米(mm)，而8寸晶圓直徑則約為200毫米。此類尺寸標(biāo)準(zhǔn)在集成電路芯片制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前，主要的芯片制造活動(dòng)集中在12寸晶圓上，因?yàn)楦蟮木A尺寸意味著更大的晶圓面積，從而提高了單片晶圓上可生產(chǎn)的芯片數(shù)量。然而，盡管18寸晶圓(450毫米)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，但由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的投入成本、協(xié)作配合、技術(shù)挑戰(zhàn)以及行業(yè)共識(shí)等因素的限制，其發(fā)展一直未能取得顯著進(jìn)展。

綜上所述，硅元素在半導(dǎo)體集成電路芯片制造中扮演著至關(guān)重要的角色，是不可或缺的基礎(chǔ)材料。展望未來(lái)，可預(yù)期的是，硅仍將是最常用、最核心的半導(dǎo)體材料。值得一提的是，硅在大自然中的儲(chǔ)量極為豐富，主要以富含二氧化硅的石英礦形式存在。這無(wú)疑是大自然對(duì)人類科技發(fā)展的巨大恩賜，為我們提供了源源不斷的硅資源。有鑒于此，我們有理由相信，人類科技將在硅資源的支撐下，持續(xù)實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)健的發(fā)展。