半導體集成電路產(chǎn)業(yè)鏈是一個龐大且復雜的系統(tǒng)，它連接著自基礎材料至高端科技產(chǎn)品的每一關鍵環(huán)節(jié)。其全球化、長鏈條、高科技、高投入及長周期的特性，使得產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的企業(yè)均扮演至關重要的角色。

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

Part.01  原材料——石英礦

半導體集成電路制造的基礎原材料為硅片，而構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體硅片制造的主要來源。

石英礦原石

Part.02  電子級硅的加工生產(chǎn)

石英砂，源于石英礦開采，加工后轉(zhuǎn)化為電子級硅，是半導體集成電路生產(chǎn)中的關鍵材料。電子級硅，全稱為Electronic-Grade Silicon，簡稱EG-Si，是半導體制造領域所依賴的高純度硅材料。其純度標準極為嚴苛，通常要求硅含量超過99.9999%，即達到6N的純度水平。而對于半導體集成電路的生產(chǎn)，所需的則是更為精純的超高純度電子級硅，其純度標準更是高達99.9999999%～99.999999999%，相當于9N或11N的純度水平。要想加工得到電子級硅的材料，涉及多個復雜的物理和化學過程，才能實現(xiàn)將其中的二氧化硅(化學式：SiO2)一步步提純加工為電子級硅(化學式：Si)。

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

隨后，進入電子級硅的生產(chǎn)階段，需要對冶金級硅進行進一步的提純。目前主流工藝通常采用改良西門子法(也稱為三氯氫硅法)來實現(xiàn)這一目標。改良西門子法是一種化學工藝，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，下文簡稱TCS)。接著，通過精餾提純TCS，最后利用還原反應和化學氣相沉積(CVD)技術，將高純度的TCS轉(zhuǎn)化為高純度的電子級硅。此時的硅以多晶硅的形態(tài)存在，與單晶硅相對應。多晶硅的純度可達到99.9999999%(9N)或更高。

至此，半導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成的材料。在全球范圍內(nèi)，知名的半導體電子級多晶硅生產(chǎn)商包括美國的HSC(Hemlock Semiconductor)、德國的瓦克化學公司(Wacker Chemie)以及韓國的OCI等。

半導體多晶硅

Part.03  半導體硅片的加工生產(chǎn)

多晶硅材料并不適宜直接應用于半導體集成電路的制造，原因在于其內(nèi)部由眾多微小晶粒構成，這些晶粒在材料內(nèi)部呈現(xiàn)無序排列。此種結(jié)構特性對于電子行為的影響顯著，進而對集成電路制造過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。相對而言，單晶硅材料以其規(guī)則且單一的晶體結(jié)構，確保了晶體的均勻性與完整性，對于集成電路芯片的性能具有至關重要的作用。因此，需將多晶硅材料經(jīng)過特定工藝轉(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，簡稱CZ法)，此法源于波蘭化學家揚·柴可拉斯基在1916年對金屬結(jié)晶速率的研究，后來此法在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛應用，并逐漸成為半導體單晶硅材料生長的主要方式。

多晶硅材料被置于石英坩堝中，通過加熱至熔融狀態(tài)。在此過程中，硼原子或磷原子的雜質(zhì)原子被精確且定量地摻入熔融硅中。這一步驟使得硅轉(zhuǎn)變?yōu)閷腜型或N型硅，從而滿足半導體集成電路生產(chǎn)所需的材料條件。

接下來，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，通過緩慢向上提拉棒的同時進行旋轉(zhuǎn)，以及對棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率等參數(shù)進行精確控制，棒的末端逐漸開始生長結(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。

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

在獲得晶錠(硅棒)后，接下來的關鍵步驟是通過精細加工將其逐漸轉(zhuǎn)化為半導體集成電路所需的硅片，業(yè)內(nèi)通常稱之為晶圓(Wafer)。這一過程同樣需要遵循一系列嚴謹?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(清潔和檢查)等環(huán)節(jié)。只有經(jīng)過這些精細的工藝流程，我們才能獲得符合半導體集成電路芯片生產(chǎn)要求的硅片(Polished Wafer)。在全球范圍內(nèi)，知名的半導體晶圓生產(chǎn)商包括日本的信越化學、SUMCO，中國臺灣的環(huán)球晶圓(GlobalWafers)等。相對而言，中國大陸在大硅片晶圓領域尚處于發(fā)展階段，一些如滬硅產(chǎn)業(yè)、新昇半導體等企業(yè)在努力實現(xiàn)300毫米大晶圓(12寸晶圓)的國產(chǎn)化，以期在這一關鍵領域取得突破。

半導體硅棒、硅片

Part.04  關于晶圓(硅片)尺寸

關于常見的12寸晶圓、8寸晶圓等表述，實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。此類尺寸標準在集成電路芯片制造領域具有廣泛應用。目前，主要的芯片制造活動集中在12寸晶圓上，因為更大的晶圓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，但由于整個產(chǎn)業(yè)鏈的投入成本、協(xié)作配合、技術挑戰(zhàn)以及行業(yè)共識等因素的限制，其發(fā)展一直未能取得顯著進展。

綜上所述，硅元素在半導體集成電路芯片制造中扮演著至關重要的角色，是不可或缺的基礎材料。展望未來，可預期的是，硅仍將是最常用、最核心的半導體材料。值得一提的是，硅在大自然中的儲量極為豐富，主要以富含二氧化硅的石英礦形式存在。這無疑是大自然對人類科技發(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)實現(xiàn)快速而穩(wěn)健的發(fā)展。