閆志瑞， 庫黎明， 白杜娟， 陳海濱， 王永濤

(有研半導(dǎo)體材料有限公司， 北京 100088)

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)的核心產(chǎn)業(yè)，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是信息社會(huì)建設(shè)的重要基石[1]。自1958年集成電路誕生(每個(gè)芯片僅12個(gè)組件)至今60多年，集成電路基底使用的半導(dǎo)體材料也發(fā)展到了第三代。硅材料作為第一代半導(dǎo)體材料，目前占比約為整個(gè)半導(dǎo)體材料市場的95%，是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，主要用于制作邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片等器件；以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料主要用于射頻芯片的制備，應(yīng)用于低壓、高頻率器件；而以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料主要用于高功率、高頻率芯片，主要應(yīng)用場景是大頻率、高功率器件[2-4]。從技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，以單晶硅為基礎(chǔ)的第一代半導(dǎo)體材料仍然占據(jù)集成電路領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對硅片的需求量大幅度增加，硅片的工藝技術(shù)逐漸成熟，生產(chǎn)規(guī)模以及產(chǎn)品質(zhì)量等不斷提升。國際上直徑為300 mm的硅片早已經(jīng)成為市場主流，直徑為450 mm的硅片正處于試驗(yàn)開發(fā)階段，而我國目前面對“缺芯”的制約，從國家到地方政策頻出，力求從材料、設(shè)計(jì)、制造、封裝等多方面突破。

面對新環(huán)境、新競爭，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》[5]的出臺(tái)成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新起點(diǎn)，未來十年將會(huì)是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金期，作為基底材料的硅片必須抓住機(jī)遇，從源頭上實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但到目前為止，在半導(dǎo)體硅片方面，我國與國外先進(jìn)水平相比仍然存在較大差距[6-7]。

本文在介紹硅片制備技術(shù)及理論的基礎(chǔ)上分析了全球硅片的現(xiàn)狀與市場，并論述了國內(nèi)發(fā)展硅片產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)及存在的問題。

1 硅材料基礎(chǔ)簡介

半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示，從最初的原材料(石英砂)到最終的電子產(chǎn)品要經(jīng)過上百道的工序才能完成。這里主要對單晶硅片的制備工藝進(jìn)行介紹：從高純的多晶硅中制備單晶硅棒以及探討后續(xù)的切磨拋工序，最終生產(chǎn)出符合集成電路制造企業(yè)要求的硅拋光片。

圖1 半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)鏈

1.1 硅單晶的制備

1.1.1 直拉法

邏輯、存儲(chǔ)器芯片中使用的單晶硅片大多采用直拉法制備，市場占比超過90%，且目前以12 inch(英寸，光伏行業(yè)通用單位，1 inch=2.54 cm)為主[8]。直拉法最早起源于1918年Czochralski從熔融金屬中拉制細(xì)燈絲，所以又叫CZ法[9-12]，是當(dāng)今制備單晶硅的主流技術(shù)。主要流程是在石英坩堝中放入多晶硅，加熱使其熔融，然后夾住一塊單晶硅的籽晶，將它懸浮在坩堝之上，把籽晶的一端拉制插入熔體直到融化，然后再緩慢旋轉(zhuǎn)并向上提拉，這樣在液體與固體的界面就會(huì)經(jīng)過逐漸冷凝形成單晶。由于整個(gè)過程可以看作是復(fù)制籽晶的過程，所以生成的硅晶體是單晶硅。晶體的摻雜也是通過直接在坩堝中加入摻雜劑，使摻雜元素在拉制單晶的過程中直接溶入單晶之中，整個(gè)拉制過程如圖2所示。

圖2 直拉單晶拉制過程示意圖

1.1.2 區(qū)熔法

用區(qū)熔法(floating zone，F(xiàn)Z)制作的硅片主要用于功率器件[13-14]的制備，硅片尺寸以8 inch及以下尺寸為主。與CZ法制作的硅片相比，F(xiàn)Z法最大的特點(diǎn)就是拉制單晶的電阻率相對較高，純度更高，能夠耐高壓；但是大尺寸硅片制備困難，而且機(jī)械能較差，所以在集成電路中使用較少。

區(qū)熔法單晶硅棒的制作過程如圖3所示，總共分為3步：(1)在真空或稀有氣體環(huán)境下的爐室中，利用電場給多晶硅棒加熱，直到被加熱區(qū)域的多晶硅融化，形成熔融區(qū)。(2)用籽晶接觸熔融區(qū)，并融化。(3)使多晶硅上的熔融區(qū)不斷上移，同時(shí)籽晶緩慢旋轉(zhuǎn)并向下拉伸，逐漸形成單晶硅棒。因?yàn)樵趨^(qū)熔法中不使用石英坩堝，避免了很多污染源，所以用區(qū)熔法拉的單晶具有純度高的特點(diǎn)[15]。

圖3 區(qū)熔單晶拉制過程

1.2 硅片加工工藝

硅片的加工過程涉及幾十道工序，但按大工序可分為滾磨切割倒角、研磨腐蝕、拋光清洗3部分[16]，具體流程如圖4所示。

圖4 硅片加工工藝流程

1.2.1 滾磨切割倒角

直徑滾磨：由于在拉單晶的過程中，單晶硅棒的直徑不可能一直保持在目標(biāo)直徑，所以為了得到標(biāo)準(zhǔn)直徑的硅棒，如 6 inch、8 inch、12 inch等，需要對拉制的單晶硅棒進(jìn)行滾磨處理，滾磨后的硅棒表面光滑，直徑均勻。

切割倒角：切割是把滾磨好的單晶棒切割成所需厚度硅片的過程。目前的硅片切割大多采用多線切割機(jī)來完成，且半導(dǎo)體硅片的切割大多是砂漿切割，而太陽能級單晶硅片的切割多采用金剛線切割[17-18]。完成切割工序的硅片由于厚度較小，邊緣非常鋒利，容易造成碎片。倒角的目的就是通過機(jī)械加工使得硅片邊緣形成指定形貌的光滑邊緣，倒角后的硅片有較低的中心應(yīng)力，因而更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易產(chǎn)生碎片。

1.2.2 研磨腐蝕

硅片研磨是為了去除在切片加工中，硅片表面因切割產(chǎn)生的表面/亞表面機(jī)械應(yīng)力損傷層(20～50 μm)和各種金屬離子等雜質(zhì)污染的表面，并使硅片具有一定精度幾何尺寸的平坦表面[19-20]。

硅片研磨之后，其表面依舊有少量的均衡損傷。將這些損傷去除時(shí)，要盡可能減小附加損傷。比較有特色的就是用化學(xué)腐蝕的方法來處理，目前常用的腐蝕方法分為堿腐蝕和酸腐蝕[21- 22]。

1.2.3 拋光清洗檢驗(yàn)

硅片拋光的目的是得到一個(gè)光滑、平整、無損傷的硅表面[23-25]。目前，硅片拋光多采用化學(xué)機(jī)械拋光方法，拋光的運(yùn)動(dòng)過程類似于研磨加工，但整個(gè)拋光過程的材料去除是在機(jī)械作用與化學(xué)作用的交替過程中完成的，可形成超光滑無損傷的加工表面，為后續(xù)集成電路制備做好基礎(chǔ)。

硅片拋光后表面有大量的沾污物，絕大部分是來源于拋光過程的顆粒。硅片清洗的目的就是有效地去除表面的各種顆粒及金屬離子，以滿足后期集成電路制作的要求。目前的清洗方法還是以RCA清洗法為基礎(chǔ)的各種改進(jìn)的清洗工藝[26-27]。

硅片清洗后需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)工序，檢驗(yàn)合格后包裝發(fā)貨給客戶。檢驗(yàn)內(nèi)容包括硅片外形、幾何尺寸、表面沾污等幾十個(gè)參數(shù)，均需要采用專用設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。目前為止，幾乎全部檢驗(yàn)設(shè)備都是從國外進(jìn)口的。

整個(gè)硅片的加工制作過程是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，只有各個(gè)工序嚴(yán)格把控，才能制造出符合客戶要求的硅片襯底材料。

2 大尺寸硅片的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 12 inch硅片是主流的硅材料產(chǎn)品

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對硅片的需求不斷增加，近20年來全球硅片的出貨面積如圖5所示。與此同時(shí)，主流硅片的尺寸也從最初的2 inch發(fā)展到了目前的12 inch，未來還有可能發(fā)展到18 inch。隨著硅片直徑增大，硅片的可利用面積比例增高，可以有效地降低芯片的生產(chǎn)成本。

圖5 全球硅片出貨面積統(tǒng)計(jì)圖[28]

根據(jù)SEMI的統(tǒng)計(jì)，目前12 inch硅片的月出貨量已經(jīng)超過了600萬片。 12 inch硅片的出貨面積已經(jīng)占全球硅片市場的總出貨面積的70%，是硅片行業(yè)的主流產(chǎn)品[29]。按硅片尺寸統(tǒng)計(jì)，全球硅片需求結(jié)構(gòu)的變化如圖6所示。

圖6 全球硅片需求結(jié)構(gòu)變化[30]

2.2 硅片的應(yīng)用制程細(xì)微化

12 inch硅片從2000年左右開始實(shí)現(xiàn)商品化，但其實(shí)在過去的20年中硅片已經(jīng)經(jīng)歷了很多代的發(fā)展與演變，從最初的只可應(yīng)用于線寬為0.15 μm左右的集成電路到目前最先進(jìn)的可應(yīng)用于線寬為5 nm的集成電路。在全球硅片的需求中，線寬為28 nm及以下的占比已經(jīng)過半，不同線寬硅片的需求變化情況如圖7所示。

圖7 硅片線寬變化情況趨勢圖[31]

隨著應(yīng)用的線寬不斷變小，對硅片的各種表征參數(shù)的要求不斷提高，無論是對單晶體內(nèi)的微缺陷控制，還是對硅片的幾何尺寸及表面污染物的控制，目前的要求水平與20年前相比都有很大區(qū)別。

2.3 大尺寸硅片產(chǎn)品現(xiàn)狀

全球12 inch硅片的供應(yīng)幾乎被5家廠商壟斷(ShinEtsu(日本)、SUMCO(日本)、環(huán)球晶圓(中國臺(tái)灣)、Siltronic(德國)、SK(韓國，原LG Siltron))，總市場占有率接近100%。這5家硅片供應(yīng)商之間的競爭非常激烈，市場份額也在隨著時(shí)間的推移有所變化。目前，從出貨量及品質(zhì)方面考量，信越(ShinEtsu)公司市場占比是全球第一。各公司的市場占比情況如圖8所示。

圖8 12 inch硅片供應(yīng)商市場占比情況圖

3 我國硅片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

3.1 全球半導(dǎo)體材料需求迎來快速增長期

近年來，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、車聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用領(lǐng)域已進(jìn)入了快速發(fā)展階段[32-33]。新興應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高端集成電路、功率器件、射頻器件等產(chǎn)品的需求也持續(xù)增加，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)傳感器、連接芯片、專用SoC等芯片技術(shù)的創(chuàng)新。另外，印度、東南亞、非洲等新興市場的逐漸興起，也為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展提供了持續(xù)的動(dòng)力。隨著新領(lǐng)域、新應(yīng)用的普及以及新興市場的發(fā)展，以5至10年周期來看，半導(dǎo)體行業(yè)的未來市場前景樂觀。Wind的數(shù)據(jù)顯示，2018 年全球半導(dǎo)體行業(yè)總銷售額達(dá)到4 687.78 億美元，同比增長13.72%。雖然2019年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模出現(xiàn)了下滑，但是預(yù)計(jì)2020年將重回上升趨勢。全球半導(dǎo)體年銷售額及增長率如圖9所示。

圖9 全球半導(dǎo)體年銷售額及增長率[29]

3.2 半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈向中國轉(zhuǎn)移

中國大陸的半導(dǎo)體銷售額增速遠(yuǎn)高于全球平均水平，過去5年復(fù)合增速為13.82%(如圖10所示)，明顯高于全球的增長率。同時(shí)，新建晶圓廠(特別是12 inch晶圓廠)的數(shù)量迅速增加，這將為國產(chǎn)材料供應(yīng)商進(jìn)入供應(yīng)鏈提供更多的機(jī)會(huì)?？偟膩砜?，隨著產(chǎn)業(yè)鏈向中國大陸的持續(xù)轉(zhuǎn)移，考慮到就近優(yōu)勢及國內(nèi)企業(yè)已有一段時(shí)間的技術(shù)、市場儲(chǔ)備，中國大陸的半導(dǎo)體材料企業(yè)將可能在數(shù)量和質(zhì)量上都迎來比較快的發(fā)展期。

圖10 中國半導(dǎo)體年銷售額及增長率[34]

3.3 國家戰(zhàn)略機(jī)遇及產(chǎn)業(yè)鏈日趨成型

隨著《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》的出臺(tái)和大基金的落地，以及國家生產(chǎn)力布局重大項(xiàng)目的投產(chǎn)，我國集成電路產(chǎn)業(yè)將迎來未來發(fā)展的黃金時(shí)期。

在目前中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，國內(nèi)對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展支持力度更大了。與此同時(shí)，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間經(jīng)過了多年的協(xié)作與磨合，用戶對本地材料供應(yīng)商的認(rèn)可度增強(qiáng)，同時(shí)得到政府鼓勵(lì)，采購國產(chǎn)材料的意愿增強(qiáng)。

此外，國內(nèi)硅片企業(yè)在國家科技重大專項(xiàng)等的支持下也取得了長足的進(jìn)步，8 inch硅片已經(jīng)部分可以替代進(jìn)口，12 inch硅片技術(shù)也有所突破。

國產(chǎn)硅片設(shè)備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，單晶爐、切片機(jī)、研磨機(jī)、清洗機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備具備實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了從無到有的突破。

原輔材料方面，多晶硅、石英坩堝、石墨材料、拋光液、切削液等重要原輔材料也已進(jìn)入生產(chǎn)線試用。

4 國內(nèi)發(fā)展硅片產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

硅片是高度定制產(chǎn)品，各個(gè)終端產(chǎn)品的用途不同會(huì)導(dǎo)致硅片的規(guī)格要求完全不同。這就要求硅片廠商要根據(jù)不同的終端客戶產(chǎn)品來設(shè)計(jì)和制造不同的硅片。目前，先進(jìn)的12 inch硅片的線寬已經(jīng)達(dá)到5～7 nm水平，且主流應(yīng)用已經(jīng)都在線寬28 nm以下，與多年前主流應(yīng)用為線寬90 nm時(shí)相比較，多項(xiàng)指標(biāo)明顯收緊，所以滿足客戶的需求絕非易事。

另外，5家硅片供應(yīng)商都是和客戶一起成長起來的，都先后經(jīng)歷了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從最初的只能用于較寬線寬集成電路到目前的應(yīng)用于納米級線寬集成電路。而國內(nèi)發(fā)展硅片產(chǎn)業(yè)，必須直接面向用戶當(dāng)前的需求，這就意味著我們必須在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到與別人20年的經(jīng)驗(yàn)積累相當(dāng)?shù)乃?，難度可想而知。所以，國內(nèi)發(fā)展硅片產(chǎn)業(yè)不是爬坡式發(fā)展，而是跨越式前進(jìn)。

4.2 設(shè)備及原輔材料的挑戰(zhàn)

建設(shè)一條硅片生產(chǎn)線需要一系列的設(shè)備，而其中很多設(shè)備還得依賴進(jìn)口，尤其是用于12 inch硅片生產(chǎn)線的設(shè)備，其中部分高端設(shè)備被長期禁止向中國出口。以單晶爐為例，信越和SUMCO的單晶爐是公司獨(dú)立設(shè)計(jì)制造或者通過控股子公司設(shè)計(jì)制造，其他硅片廠商無法購買。其他主要的硅片廠商都有自己的獨(dú)立單晶爐供貨商，并且簽訂嚴(yán)格的保密協(xié)議，導(dǎo)致外界硅片廠商也無法購買，或者只能購買到普通單晶爐，而購買不到高規(guī)格單晶爐。所以設(shè)備壁壘也是國內(nèi)廠商無法進(jìn)入全球硅片主流供應(yīng)商的原因。雪上加霜的是，在中美貿(mào)易戰(zhàn)日益加劇的背景下，以美國為首的發(fā)達(dá)國家在2019年底新修訂的《瓦森納協(xié)議》中，便“緊跟形勢”地增加了對于12 inch硅晶圓制造技術(shù)的出口管制內(nèi)容。

原輔材料方面也面臨著類似的問題。作為制造硅片最主要原料之一的高純多晶硅目前還依賴進(jìn)口，高純石墨件、高純石英件、拋光耗材甚至硅片運(yùn)輸包裝盒也完全依賴進(jìn)口。所以，原輔材料方面面臨的問題同樣嚴(yán)峻。

4.3 面臨的市場挑戰(zhàn)

芯片制造企業(yè)對于各類原材料的質(zhì)量有著嚴(yán)苛的要求，對供應(yīng)商的選擇非常謹(jǐn)慎，且進(jìn)入芯片制造企業(yè)的供應(yīng)商名單也具有較高的壁壘。通常，芯片制造企業(yè)對新的硅片供應(yīng)商的認(rèn)證會(huì)經(jīng)歷如下過程：2年左右的產(chǎn)品流片評估—1年左右的陪片和測試片穩(wěn)定供應(yīng)—低價(jià)格低數(shù)量訂單正片供應(yīng)1年—正常價(jià)格訂單的B類和C類供應(yīng)商—主要供應(yīng)商。所以在一切順利的情況下，要成為客戶的主要供應(yīng)商，一般需要5年以上的時(shí)間。

另外，由于國外競爭對手12 inch硅片已商業(yè)化應(yīng)用近20年，品牌、質(zhì)量、團(tuán)隊(duì)服務(wù)能力、體系文化等早已得到了客戶認(rèn)同，建立了長期合作關(guān)系并簽訂長約。而國內(nèi)硅片制造商對于世界主流集成電路制造廠商來說都為新面孔，品牌難以在短期內(nèi)得到認(rèn)同，質(zhì)量和供應(yīng)穩(wěn)定性會(huì)受到客戶質(zhì)疑，文化認(rèn)同也同樣需要時(shí)間來相互磨合等。

4.4 企業(yè)生產(chǎn)的挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體硅片制造工藝復(fù)雜，需要購買先進(jìn)、昂貴的生產(chǎn)設(shè)備，也需要根據(jù)客戶的不同需求不斷地修改和調(diào)試。由于設(shè)備折舊等固定成本較高，下游需求的變化對硅片企業(yè)的產(chǎn)能利用率的影響又較大，從而對硅片制造公司的利潤影響較大。特別是新進(jìn)入硅片行業(yè)的公司，在沒有達(dá)到規(guī)模出貨之前，幾乎一直會(huì)處于虧損狀態(tài)。

雖然半導(dǎo)體硅片行業(yè)總體向上是大趨勢，但還是會(huì)出現(xiàn)周期性的低谷期，這對于國內(nèi)企業(yè)來說將會(huì)是必須面對的重要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诘凸绕跁r(shí)，即使是世界主要硅片供應(yīng)商也大多出現(xiàn)過虧損的現(xiàn)象。

所以，企業(yè)必須有足夠的應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)及低谷期的能力才能長期生存下來。

5 結(jié)束語

硅片制備是集晶體生長、精密加工、化學(xué)清洗、薄膜技術(shù)、分析測試等工程化技術(shù)高度于一體的先進(jìn)制造業(yè)，是買不來的技術(shù)。從做出來到做好需要相當(dāng)長的質(zhì)量、技術(shù)爬坡期，不斷的管理提升、技術(shù)創(chuàng)新是唯一出路，沒有捷徑。在此過程中，客戶是最好的老師，無論多難，只有跟著客戶的需求不斷改進(jìn)才能進(jìn)步。與此同時(shí)，國內(nèi)硅片產(chǎn)業(yè)的壯大離不開上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，只有裝備及材料的不斷國產(chǎn)化才能使產(chǎn)品更具市場競爭力。

硅片制備作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在接下來的發(fā)展中機(jī)遇與挑戰(zhàn)將會(huì)并存，對于國內(nèi)所有半導(dǎo)體材料人來說任重而道遠(yuǎn)。