閆志瑞， 庫黎明， 白杜娟， 陳海濱， 王永濤

(有研半導體材料有限公司， 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)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導性產(chǎn)業(yè)，是信息社會建設(shè)的重要基石[1]。自1958年集成電路誕生(每個芯片僅12個組件)至今60多年，集成電路基底使用的半導體材料也發(fā)展到了第三代。硅材料作為第一代半導體材料，目前占比約為整個半導體材料市場的95%，是應(yīng)用最廣泛的半導體材料，主要用于制作邏輯芯片、存儲芯片等器件；以GaAs為代表的第二代半導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、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)展推進綱要》[5]的出臺成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新起點，未來十年將會是國內(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遇，從源頭上實現(xiàn)國產(chǎn)化。但到目前為止，在半導體硅片方面，我國與國外先進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)面臨的機遇、挑戰(zhàn)及存在的問題。

1 硅材料基礎(chǔ)簡介

半導體硅片產(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燈絲，所以又叫CZ法[9-12]，是當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經(jīng)過逐漸冷凝形成單晶。由于整個過程可以看作是復制籽晶的過程，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，同時籽晶緩慢旋轉(zhuǎn)并向下拉伸，逐漸形成單晶硅棒。因為在區(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[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直徑，所以為了得到標準直徑的硅棒，如 6 inch、8 inch、12 inch等，需要對拉制的單晶硅棒進行滾磨處理，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來完成，且半導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，要盡可能減小附加損傷。比較有特色的就是用化學腐蝕的方法來處理，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

硅片拋光的目的是得到一個光滑、平整、無損傷的硅表面[23-25]。目前，硅片拋光多采用化學機械拋光方法，拋光的運動過程類似于研磨加工，但整個拋光過程的材料去除是在機械作用與化學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)的各種改進的清洗工藝[26-27]。

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

整個硅片的加工制作過程是一項系統(tǒng)、復雜的工程，只有各個工序嚴格把控，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，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)計圖[28]

根據(jù)SEMI的統(tǒng)計，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，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)用制程細微化

12 inch硅片從2000年左右開始實現(xiàn)商品化，但其實在過去的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)展的機遇和挑戰(zhàn)

3.1 全球半導體材料需求迎來快速增長期

近年來，云計算、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，同時也驅(qū)動傳感器、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，也為半導體行業(yè)發(fā)展提供了持續(xù)的動力。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 年全球半導體行業(yè)總銷售額達到4 687.78 億美元，同比增長13.72%。雖然2019年全球半導體市場規(guī)模出現(xiàn)了下滑，但是預計2020年將重回上升趨勢。全球半導體年銷售額及增長率如圖9所示。

圖9 全球半導體年銷售額及增長率[29]

3.2 半導體制造產(chǎn)業(yè)鏈向中國轉(zhuǎn)移

中國大陸的半導體銷售額增速遠高于全球平均水平，過去5年復合增速為13.82%(如圖10所示)，明顯高于全球的增長率。同時，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)商進入供應(yīng)鏈提供更多的機會?？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)已有一段時間的技術(shù)、市場儲備，中國大陸的半導體材料企業(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 中國半導體年銷售額及增長率[34]

3.3 國家戰(zhàn)略機遇及產(chǎn)業(yè)鏈日趨成型

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

在目前中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，國內(nèi)對于半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展支持力度更大了。與此同時，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)商的認可度增強，同時得到政府鼓勵，采購國產(chǎn)材料的意愿增強。

此外，國內(nèi)硅片企業(yè)在國家科技重大專項等的支持下也取得了長足的進步，8 inch硅片已經(jīng)部分可以替代進口，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、研磨機、清洗機等關(guān)鍵設(shè)備具備實用性，實現(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，各個終端產(chǎn)品的用途不同會導致硅片的規(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)計和制造不同的硅片。目前，先進的12 inch硅片的線寬已經(jīng)達到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時相比較，多項指標明顯收緊，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前的需求，這就意味著我們必須在短時間內(nèi)達到與別人20年的經(jīng)驗積累相當?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。

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的單晶爐是公司獨立設(shè)計制造或者通過控股子公司設(shè)計制造，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立單晶爐供貨商，并且簽訂嚴格的保密協(xié)議，導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口，高純石墨件、高純石英件、拋光耗材甚至硅片運輸包裝盒也完全依賴進口。所以，原輔材料方面面臨的問題同樣嚴峻。

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)量有著嚴苛的要求，對供應(yīng)商的選擇非常謹慎，且進入芯片制造企業(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)商的認證會經(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)—低價格低數(shù)量訂單正片供應(yīng)1年—正常價格訂單的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、團隊服務(wù)能力、體系文化等早已得到了客戶認同，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)得到認同，質(zhì)量和供應(yīng)穩(wěn)定性會受到客戶質(zhì)疑，文化認同也同樣需要時間來相互磨合等。

4.4 企業(yè)生產(chǎn)的挑戰(zhàn)

半導體硅片制造工藝復雜，需要購買先進、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。特別是新進入硅片行業(yè)的公司，在沒有達到規(guī)模出貨之前，幾乎一直會處于虧損狀態(tài)。

雖然半導體硅片行業(yè)總體向上是大趨勢，但還是會出現(xiàn)周期性的低谷期，這對于國內(nèi)企業(yè)來說將會是必須面對的重要挑戰(zhàn)，因為在低谷期時，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)對風險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)高度于一體的先進制造業(yè)，是買不來的技術(shù)。從做出來到做好需要相當長的質(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才能進步。與此同時，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。

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