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半导体之基:国产硅片追梦之路

硅片是集成电路产业的基础,是晶圆制造的核心材料。中国大陆8寸、12寸硅片自主供应能力弱,高度依赖进口,是集成电路产业链中的短板。近年来,在政策支持和产业界积极努力下,已经涌现出部分优质企业,硅片产能将在未来几年将逐步落地,完成硅片产业发展的追梦之路。

图片来源:Shin-Etsu

硅片是半导体核心基础材料

硅片是芯片制造的基本材料,以硅为材料制造的片状物体,一般是由纯度很高的结晶硅制成的。与其他材料相比,结晶硅的分子结构非常稳定,很少有自由电子产生,导电性极低。半导体器件则是通过对硅片进行光刻、刻蚀、离子注入等手段,改变硅的分子结构进而提高其导电性,最终获得的一种具备较低导电能力的产品。硅片主要应用领域在半导体和光伏两大领域,其差异主要表现在类型、纯度、表面性质上:

1. 半导体硅片均为单晶硅,太阳能采用的硅片单晶和多晶均有;

2. 半导体硅片纯度要求高,为99.9999999%(9N)以上,光伏相比则要求较低,99.99%-99.9999%(4N-6N)之间;

3. 半导体硅片表面的平整度、光滑度以及洁净度要求比光伏片高,需要经过后续的研磨倒角、抛光、清洗等环节。

半导体硅片的高规格要求使得其制造工艺复杂,四大核心步骤包括多晶硅提纯与多晶硅料的铸锭、单晶硅生长以及硅片切割成型。作为晶圆制造的原材料,硅片质量直接决定了晶圆制造环节的稳定性。

图1.半导体硅片制造工艺流程与全球主要玩家分布

(数据来源:SUMCO,华夏幸福产业研究院)

硅片和硅基材料是晶圆制造环节占比最大的基础核心材料。90%以上的半导体芯片是以硅片作为基础材料制造的。2018年全球半导体硅片市场为123亿美元,占晶圆制造材料322亿美元的比重为37%,位居第一。

图2.2018年集成电路晶圆制造中半导体材料占比(%)

(数据来源:SEMI 2018,华夏幸福产业研究院)

半导体硅片种类多元,未来向大尺寸趋势发展

硅片产品按照加工工序可分为抛光片、退火片、外延片、节隔离片和绝缘体上硅片五大类产品。其中,抛光片是应用范围最广泛,用量最大、最基础的产品,其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。

抛光片直接从单晶硅柱上切割出厚度约1mm的原硅片,然后对其进行抛光镜面加工,就得到了表面平整洁净的抛光片,通过对其进一步的纯化,减少重金属杂质。

退火片是通过把抛光片置于充满氩气或氧气的高温环境退火得到的,这样可大幅减少抛光片表面的氧气含量,从而拥有更好的晶体完整性(crystal perfection),可满足更高的半导体蚀刻需求。

外延片是通过在抛光片表面采用应用气相生长技术(Vapor Phase Growth or Epitaxy),在抛光片表面外延生出单晶结构层,这样其表面将比经切割而来的抛光片更加平滑,从而降低表面缺陷。

节隔离片是通过在抛光片的基础上,首先是通过光刻法、离子注入、热扩散技术等技术嵌入中间层,然后再通过气相生长技术在硅片外面形成平滑的外延层,从而满足特定的衬底电性能需求。

SOI片(绝缘体上硅片)是三明治结构,最下层是抛光片,中间层是掩埋氧化层(BOX),顶层是活性层也是抛光片;BOX的存在使得SOI片实现高电绝缘性,从而减小寄生电容和漏电,继而可以实现器件的高集成度,低的功耗,高可靠性,顶层的活性层也可以采用掺杂金属元素的硅片从而实现不同的功能。

图3. 硅片的分类

(数据来源:SUMCO,华夏幸福产业研究院)

随着提拉单晶技术的提高,硅片的尺寸随着时间的发展逐步提升,从2寸(50mm),到4寸(100mm),5寸(125mm),6寸(150mm),8寸(200mm),到2000年的12寸(300mm)。12寸硅片的下一站是18寸(450mm)硅片,但由于设备研发难度较高,目前制造厂对于18寸的推动力不大,主流工艺以12寸和8寸硅片为主。

图4. 硅片尺寸发展历史

(数据来源:SEMI,华夏幸福产业研究院)

大尺寸硅片成为硅片未来发展的趋势。为了提高生产效率降低成本,大尺寸硅片越来越多被使用,随着尺寸加大,在单片硅片上制造的芯片数目就会越多;同时在圆形硅片上制造矩形的硅片会使硅片边缘处的一些区域无法被利用带来部分浪费,随之晶圆的尺寸的增大,损失比就会减小;这两点都会降低芯片的成本。例如,在同样的工艺条件下,300mm半导体硅片的可使用面积超过200mm硅片的两倍以上,可使用率(衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标)是200mm硅片的2.5倍左右。

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