半导体硅片制备技术及产业现状

闫志瑞， 库黎明， 白杜娟， 陈海滨， 王永涛

(有研半导体材料有限公司， 北京 100088)

集成电路产业是信息技术的核心产业，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，是信息社会建设的重要基石[1]。自1958年集成电路诞生(每个芯片仅12个组件)至今60多年，集成电路基底使用的半导体材料也发展到了第三代。硅材料作为第一代半导体材料，目前占比约为整个半导体材料市场的95%，是应用最广泛的半导体材料，主要用于制作逻辑芯片、存储芯片等器件；以GaAs为代表的第二代半导体材料主要用于射频芯片的制备，应用于低压、高频率器件；而以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料主要用于高功率、高频率芯片，主要应用场景是大频率、高功率器件[2-4]。从技术成熟度和产业规模来看，以单晶硅为基础的第一代半导体材料仍然占据集成电路领域的统治地位。

随着半导体产业的不断发展，对硅片的需求量大幅度增加，硅片的工艺技术逐渐成熟，生产规模以及产品质量等不断提升。国际上直径为300 mm的硅片早已经成为市场主流，直径为450 mm的硅片正处于试验开发阶段，而我国目前面对“缺芯”的制约，从国家到地方政策频出，力求从材料、设计、制造、封装等多方面突破。

面对新环境、新竞争，《国家集成电路产业发展推进纲要》[5]的出台成为我国集成电路产业发展的新起点，未来十年将会是国内集成电路产业发展的黄金期，作为基底材料的硅片必须抓住机遇，从源头上实现国产化。但到目前为止，在半导体硅片方面，我国与国外先进水平相比仍然存在较大差距[6-7]。

本文在介绍硅片制备技术及理论的基础上分析了全球硅片的现状与市场，并论述了国内发展硅片产业面临的机遇、挑战及存在的问题。

1 硅材料基础简介

半导体硅片产业链如图1所示，从最初的原材料(石英砂)到最终的电子产品要经过上百道的工序才能完成。这里主要对单晶硅片的制备工艺进行介绍：从高纯的多晶硅中制备单晶硅棒以及探讨后续的切磨抛工序，最终生产出符合集成电路制造企业要求的硅抛光片。

图1 半导体硅片产业链

1.1 硅单晶的制备

1.1.1 直拉法

逻辑、存储器芯片中使用的单晶硅片大多采用直拉法制备，市场占比超过90%，且目前以12 inch(英寸，光伏行业通用单位，1 inch=2.54 cm)为主[8]。直拉法最早起源于1918年Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，所以又叫CZ法[9-12]，是当今制备单晶硅的主流技术。主要流程是在石英坩埚中放入多晶硅，加热使其熔融，然后夹住一块单晶硅的籽晶，将它悬浮在坩埚之上，把籽晶的一端拉制插入熔体直到融化，然后再缓慢旋转并向上提拉，这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程，所以生成的硅晶体是单晶硅。晶体的掺杂也是通过直接在坩埚中加入掺杂剂，使掺杂元素在拉制单晶的过程中直接溶入单晶之中，整个拉制过程如图2所示。

图2 直拉单晶拉制过程示意图

1.1.2 区熔法

用区熔法(floating zone，FZ)制作的硅片主要用于功率器件[13-14]的制备，硅片尺寸以8 inch及以下尺寸为主。与CZ法制作的硅片相比，FZ法最大的特点就是拉制单晶的电阻率相对较高，纯度更高，能够耐高压；但是大尺寸硅片制备困难，而且机械能较差，所以在集成电路中使用较少。

区熔法单晶硅棒的制作过程如图3所示，总共分为3步：(1)在真空或稀有气体环境下的炉室中，利用电场给多晶硅棒加热，直到被加热区域的多晶硅融化，形成熔融区。(2)用籽晶接触熔融区，并融化。(3)使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单晶硅棒。因为在区熔法中不使用石英坩埚，避免了很多污染源，所以用区熔法拉的单晶具有纯度高的特点[15]。

图3 区熔单晶拉制过程

1.2 硅片加工工艺

硅片的加工过程涉及几十道工序，但按大工序可分为滚磨切割倒角、研磨腐蚀、抛光清洗3部分[16]，具体流程如图4所示。

图4 硅片加工工艺流程

1.2.1 滚磨切割倒角

直径滚磨：由于在拉单晶的过程中，单晶硅棒的直径不可能一直保持在目标直径，所以为了得到标准直径的硅棒，如 6 inch、8 inch、12 inch等，需要对拉制的单晶硅棒进行滚磨处理，滚磨后的硅棒表面光滑，直径均匀。

切割倒角：切割是把滚磨好的单晶棒切割成所需厚度硅片的过程。目前的硅片切割大多采用多线切割机来完成，且半导体硅片的切割大多是砂浆切割，而太阳能级单晶硅片的切割多采用金刚线切割[17-18]。完成切割工序的硅片由于厚度较小，边缘非常锋利，容易造成碎片。倒角的目的就是通过机械加工使得硅片边缘形成指定形貌的光滑边缘，倒角后的硅片有较低的中心应力，因而更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易产生碎片。

1.2.2 研磨腐蚀

硅片研磨是为了去除在切片加工中，硅片表面因切割产生的表面/亚表面机械应力损伤层(20～50 μm)和各种金属离子等杂质污染的表面，并使硅片具有一定精度几何尺寸的平坦表面[19-20]。

硅片研磨之后，其表面依旧有少量的均衡损伤。将这些损伤去除时，要尽可能减小附加损伤。比较有特色的就是用化学腐蚀的方法来处理，目前常用的腐蚀方法分为碱腐蚀和酸腐蚀[21- 22]。

1.2.3 抛光清洗检验

硅片抛光的目的是得到一个光滑、平整、无损伤的硅表面[23-25]。目前，硅片抛光多采用化学机械抛光方法，抛光的运动过程类似于研磨加工，但整个抛光过程的材料去除是在机械作用与化学作用的交替过程中完成的，可形成超光滑无损伤的加工表面，为后续集成电路制备做好基础。

硅片抛光后表面有大量的沾污物，绝大部分是来源于抛光过程的颗粒。硅片清洗的目的就是有效地去除表面的各种颗粒及金属离子，以满足后期集成电路制作的要求。目前的清洗方法还是以RCA清洗法为基础的各种改进的清洗工艺[26-27]。

硅片清洗后需要经过严格的检验工序，检验合格后包装发货给客户。检验内容包括硅片外形、几何尺寸、表面沾污等几十个参数，均需要采用专用设备进行检验。目前为止，几乎全部检验设备都是从国外进口的。

整个硅片的加工制作过程是一项系统、复杂的工程，只有各个工序严格把控，才能制造出符合客户要求的硅片衬底材料。

2 大尺寸硅片的发展现状

2.1 12 inch硅片是主流的硅材料产品

随着集成电路产业的不断发展，对硅片的需求不断增加，近20年来全球硅片的出货面积如图5所示。与此同时，主流硅片的尺寸也从最初的2 inch发展到了目前的12 inch，未来还有可能发展到18 inch。随着硅片直径增大，硅片的可利用面积比例增高，可以有效地降低芯片的生产成本。

图5 全球硅片出货面积统计图[28]

根据SEMI的统计，目前12 inch硅片的月出货量已经超过了600万片。 12 inch硅片的出货面积已经占全球硅片市场的总出货面积的70%，是硅片行业的主流产品[29]。按硅片尺寸统计，全球硅片需求结构的变化如图6所示。

图6 全球硅片需求结构变化[30]

2.2 硅片的应用制程细微化

12 inch硅片从2000年左右开始实现商品化，但其实在过去的20年中硅片已经经历了很多代的发展与演变，从最初的只可应用于线宽为0.15 μm左右的集成电路到目前最先进的可应用于线宽为5 nm的集成电路。在全球硅片的需求中，线宽为28 nm及以下的占比已经过半，不同线宽硅片的需求变化情况如图7所示。

图7 硅片线宽变化情况趋势图[31]

随着应用的线宽不断变小，对硅片的各种表征参数的要求不断提高，无论是对单晶体内的微缺陷控制，还是对硅片的几何尺寸及表面污染物的控制，目前的要求水平与20年前相比都有很大区别。

2.3 大尺寸硅片产品现状

全球12 inch硅片的供应几乎被5家厂商垄断(ShinEtsu(日本)、SUMCO(日本)、环球晶圆(中国台湾)、Siltronic(德国)、SK(韩国，原LG Siltron))，总市场占有率接近100%。这5家硅片供应商之间的竞争非常激烈，市场份额也在随着时间的推移有所变化。目前，从出货量及品质方面考量，信越(ShinEtsu)公司市场占比是全球第一。各公司的市场占比情况如图8所示。

图8 12 inch硅片供应商市场占比情况图

3 我国硅片产业发展的机遇和挑战

3.1 全球半导体材料需求迎来快速增长期

近年来，云计算、物联网、5G、人工智能、车联网等新兴应用领域已进入了快速发展阶段[32-33]。新兴应用领域的快速发展，对高端集成电路、功率器件、射频器件等产品的需求也持续增加，同时也驱动传感器、连接芯片、专用SoC等芯片技术的创新。另外，印度、东南亚、非洲等新兴市场的逐渐兴起，也为半导体行业发展提供了持续的动力。随着新领域、新应用的普及以及新兴市场的发展，以5至10年周期来看，半导体行业的未来市场前景乐观。Wind的数据显示，2018 年全球半导体行业总销售额达到4 687.78 亿美元，同比增长13.72%。虽然2019年全球半导体市场规模出现了下滑，但是预计2020年将重回上升趋势。全球半导体年销售额及增长率如图9所示。

图9 全球半导体年销售额及增长率[29]

3.2 半导体制造产业链向中国转移

中国大陆的半导体销售额增速远高于全球平均水平，过去5年复合增速为13.82%(如图10所示)，明显高于全球的增长率。同时，新建晶圆厂(特别是12 inch晶圆厂)的数量迅速增加，这将为国产材料供应商进入供应链提供更多的机会。总的来看，随着产业链向中国大陆的持续转移，考虑到就近优势及国内企业已有一段时间的技术、市场储备，中国大陆的半导体材料企业将可能在数量和质量上都迎来比较快的发展期。

图10 中国半导体年销售额及增长率[34]

3.3 国家战略机遇及产业链日趋成型

随着《国家集成电路产业发展推进纲要》的出台和大基金的落地，以及国家生产力布局重大项目的投产，我国集成电路产业将迎来未来发展的黄金时期。

在目前中美贸易战的大背景下，国内对于半导体产业的发展支持力度更大了。与此同时，国内产业链上下游之间经过了多年的协作与磨合，用户对本地材料供应商的认可度增强，同时得到政府鼓励，采购国产材料的意愿增强。

此外，国内硅片企业在国家科技重大专项等的支持下也取得了长足的进步，8 inch硅片已经部分可以替代进口，12 inch硅片技术也有所突破。

国产硅片设备产业快速发展，单晶炉、切片机、研磨机、清洗机等关键设备具备实用性，实现了从无到有的突破。

原辅材料方面，多晶硅、石英坩埚、石墨材料、抛光液、切削液等重要原辅材料也已进入生产线试用。

4 国内发展硅片产业面临的挑战

4.1 技术方面的挑战

硅片是高度定制产品，各个终端产品的用途不同会导致硅片的规格要求完全不同。这就要求硅片厂商要根据不同的终端客户产品来设计和制造不同的硅片。目前，先进的12 inch硅片的线宽已经达到5～7 nm水平，且主流应用已经都在线宽28 nm以下，与多年前主流应用为线宽90 nm时相比较，多项指标明显收紧，所以满足客户的需求绝非易事。

另外，5家硅片供应商都是和客户一起成长起来的，都先后经历了产品的更新换代，从最初的只能用于较宽线宽集成电路到目前的应用于纳米级线宽集成电路。而国内发展硅片产业，必须直接面向用户当前的需求，这就意味着我们必须在短时间内达到与别人20年的经验积累相当的水平，难度可想而知。所以，国内发展硅片产业不是爬坡式发展，而是跨越式前进。

4.2 设备及原辅材料的挑战

建设一条硅片生产线需要一系列的设备，而其中很多设备还得依赖进口，尤其是用于12 inch硅片生产线的设备，其中部分高端设备被长期禁止向中国出口。以单晶炉为例，信越和SUMCO的单晶炉是公司独立设计制造或者通过控股子公司设计制造，其他硅片厂商无法购买。其他主要的硅片厂商都有自己的独立单晶炉供货商，并且签订严格的保密协议，导致外界硅片厂商也无法购买，或者只能购买到普通单晶炉，而购买不到高规格单晶炉。所以设备壁垒也是国内厂商无法进入全球硅片主流供应商的原因。雪上加霜的是，在中美贸易战日益加剧的背景下，以美国为首的发达国家在2019年底新修订的《瓦森纳协议》中，便“紧跟形势”地增加了对于12 inch硅晶圆制造技术的出口管制内容。

原辅材料方面也面临着类似的问题。作为制造硅片最主要原料之一的高纯多晶硅目前还依赖进口，高纯石墨件、高纯石英件、抛光耗材甚至硅片运输包装盒也完全依赖进口。所以，原辅材料方面面临的问题同样严峻。

4.3 面临的市场挑战

芯片制造企业对于各类原材料的质量有着严苛的要求，对供应商的选择非常谨慎，且进入芯片制造企业的供应商名单也具有较高的壁垒。通常，芯片制造企业对新的硅片供应商的认证会经历如下过程：2年左右的产品流片评估—1年左右的陪片和测试片稳定供应—低价格低数量订单正片供应1年—正常价格订单的B类和C类供应商—主要供应商。所以在一切顺利的情况下，要成为客户的主要供应商，一般需要5年以上的时间。

另外，由于国外竞争对手12 inch硅片已商业化应用近20年，品牌、质量、团队服务能力、体系文化等早已得到了客户认同，建立了长期合作关系并签订长约。而国内硅片制造商对于世界主流集成电路制造厂商来说都为新面孔，品牌难以在短期内得到认同，质量和供应稳定性会受到客户质疑，文化认同也同样需要时间来相互磨合等。

4.4 企业生产的挑战

半导体硅片制造工艺复杂，需要购买先进、昂贵的生产设备，也需要根据客户的不同需求不断地修改和调试。由于设备折旧等固定成本较高，下游需求的变化对硅片企业的产能利用率的影响又较大，从而对硅片制造公司的利润影响较大。特别是新进入硅片行业的公司，在没有达到规模出货之前，几乎一直会处于亏损状态。

虽然半导体硅片行业总体向上是大趋势，但还是会出现周期性的低谷期，这对于国内企业来说将会是必须面对的重要挑战，因为在低谷期时，即使是世界主要硅片供应商也大多出现过亏损的现象。

所以，企业必须有足够的应对风险及低谷期的能力才能长期生存下来。

5 结束语

硅片制备是集晶体生长、精密加工、化学清洗、薄膜技术、分析测试等工程化技术高度于一体的先进制造业，是买不来的技术。从做出来到做好需要相当长的质量、技术爬坡期，不断的管理提升、技术创新是唯一出路，没有捷径。在此过程中，客户是最好的老师，无论多难，只有跟着客户的需求不断改进才能进步。与此同时，国内硅片产业的壮大离不开上下游产业链的协同发展，只有装备及材料的不断国产化才能使产品更具市场竞争力。

硅片制备作为半导体产业链中重要的一个环节，在接下来的发展中机遇与挑战将会并存，对于国内所有半导体材料人来说任重而道远。