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晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)

作者: 時(shí)間:2018-08-09 來源:OFweek電子工程網(wǎng) 收藏

  近年來,國家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)越來越重視,已經(jīng)將集成電路作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。作為全球最重要的電子制造基地,中國的電子應(yīng)用市場(chǎng)巨大,有著廣闊的前景。盡管如此,我們?nèi)圆荒苓^于驕傲,畢竟還有很多的技術(shù)等待著去突破,除了芯片相關(guān)技術(shù),晶圓的制造也是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/390248.htm


晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)


  電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn),越往上游企業(yè)相對(duì)越少,技術(shù)難度越大,晶圓是造芯片的原材料,屬于芯片的上游。芯片、晶圓制造都屬于 “航天級(jí)”的尖端技術(shù),難度系數(shù)均是最高的一級(jí),晶圓制造是比造芯片還要難的一門技術(shù)。如果把芯片比作宇宙飛船,那么晶圓就是航空母艦了,沒幾家能造得出來。

  據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉,全球能制造高純度電子級(jí)硅的企業(yè)不足100家,其中主要的15家廠壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上,沒有所謂的“百花齊放”,有的是巨頭們的“孤芳自賞”,正是如此,全球的晶圓也是持續(xù)漲價(jià),市場(chǎng)呈現(xiàn)一種繁榮景氣的形勢(shì)。

  制造的三大步驟

  硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中,的制造有三大步驟:硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。

  1、硅提煉及提純

  硅的提純是第一道工序,需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中,在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅,然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng),生成液態(tài)的硅烷,然后通過蒸餾和化學(xué)還原工藝,得到了高純度的多晶硅。

  2、單晶硅生長


晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)

  (用直拉法制造晶圓的流程圖,由OFweek電子工程網(wǎng)制作)

  晶圓企業(yè)常用的是直拉法,如上圖所示,高純度的多晶硅放在石英坩堝中,并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱,溫度維持在大約一千多攝氏度,爐中的空氣通常是惰性氣體,使多晶硅熔化,同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。

  為了形成單晶硅,還需要控制晶體的方向,坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn),把一顆籽晶浸入其中,并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn),同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

  熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。用直拉法生長后,單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割,然后進(jìn)行研磨,再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡,這時(shí)候晶圓片就制造完成了。

  晶圓制造廠把這些多晶硅融解,再在融液里種入籽晶,然后將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。

  3、晶圓成型

  完成了上述兩道工藝, 硅晶棒再經(jīng)過切段,滾磨,切片,倒角,拋光,激光刻,包裝后,即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是“晶圓”。

  晶圓制造到底難在哪?

  晶圓的制造工藝倒不是很復(fù)雜,其難度在于半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)晶圓的純度要求很高,純度需要達(dá)到99.999999999%或以上。

  以硅晶片為例,硅從石英砂里提煉出來,在高溫下,碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只能得到純度約為98%的純硅,這對(duì)于微電子器件來說不夠純,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感,因此需要進(jìn)一步提純。

  而在進(jìn)行硅的進(jìn)一步提純工藝中,光刻技術(shù)的難度很高,在晶圓制造工藝中,光刻是必須經(jīng)歷的一個(gè)步驟。

  光刻工藝是晶圓制造最大的“一道坎”

  晶圓制造中的光刻是指在硅片表面勻膠,然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過程。

  1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經(jīng)流程

  由于晶圓生產(chǎn)工藝中,其表面會(huì)形成薄膜,這需要光刻技術(shù)將它去掉。在晶圓制造過程中,晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成,這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的,并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分,通過光刻工藝過程,最終在晶圓上保留特征圖形的部分。

  2、光刻確定尺寸,馬虎不得

  光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸,光刻過程中的錯(cuò)誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好,最終可轉(zhuǎn)化為對(duì)器件的電特性產(chǎn)生影響。

  3、高端光刻機(jī)產(chǎn)能嚴(yán)重不足

  光刻機(jī)也叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī),曝光系統(tǒng),光刻系統(tǒng)等,常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機(jī)市場(chǎng),以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍,全球能制造出光刻機(jī)的企業(yè)不足百家,能造出頂尖的光刻機(jī)的不足五家,在高端光刻機(jī)市場(chǎng),中國企業(yè)幾乎全軍覆沒。

  15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷95%以上市場(chǎng)

  正是由于晶圓制造難度大,客戶對(duì)純度與尺寸的要求很高,全球的主要15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷了95%以上市場(chǎng)。


晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)


  以信越半導(dǎo)體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng)、LG等為代表的晶圓企業(yè)幾乎供應(yīng)了全球八成的半導(dǎo)體企業(yè),而且長期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠臺(tái)灣環(huán)球晶圓為例,其晶圓訂單到2020年方可消化完全。


晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)

  由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等原因,臺(tái)灣和日本的晶圓企業(yè)占據(jù)了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上,它們的優(yōu)勢(shì)非常明顯,尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。

  中國這幾年對(duì)晶圓生產(chǎn)的重視,誕生了許多晶圓企業(yè),逐步形成了長三角、中西部為核心、輻射周邊的局面,目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的實(shí)力。據(jù)悉,12英寸晶圓方面也是好消息不斷,上海新昇近日表示,他們的12英寸晶圓已通過認(rèn)證,預(yù)計(jì)年底能達(dá)到每個(gè)月10萬片的產(chǎn)能。

  綜述:隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,晶圓市場(chǎng)會(huì)更加緊俏,尤其是大尺寸、高純度的晶圓,巨大的市場(chǎng)前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動(dòng)。未來,晶圓制造工藝會(huì)越來越透明化,對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言,通過學(xué)習(xí)“前輩們”的經(jīng)驗(yàn),將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決,挑戰(zhàn)巨頭的地位就多了些籌碼,晶圓市場(chǎng)不應(yīng)該只是這幾家的天下。



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