晶圆制备技术及专利布局趋势

王俊山 郑 磊

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

0 引言

晶圆作为半导体制造过程中的关键组成部分，是制造各种微电子器件的基础。晶圆由高纯度的单晶硅制成，制造过程涉及多道工艺步骤，包括单晶硅的生长、晶圆切割、去除杂质、刻蚀、光刻等［1］。制造出高质量的晶圆，对于保证微电子器件的性能和可靠性至关重要。在现代电子工业中，晶圆制造技术的不断发展和创新，推动了微电子器件的不断进步和应用领域的拓展。因此，晶圆制造技术的发展对整个电子工业的发展具有重要意义，是推动电子技术不断前进的基础。

1 两种常见生产单晶硅的方法

为了制造单晶硅棒，需要通过高温过程将电子级硅和一个单晶硅籽晶一起熔化，这种熔融的硅接着就按照与籽晶相同的晶体结构凝固。半导体工业中有两种常用方法产生单晶硅，即查克洛斯基（Czochralski，CZ）法和悬浮区熔（Floating Zone，FZ）法［2］。

1.1 查克洛斯基法

CZ 法是单晶硅制备中最常用的一种方法。该方法的主要步骤是先将高纯度硅材料加热熔化，形成一个液态硅池，然后在池面上缓慢降下单晶硅种子，使种子逐渐沉入液态硅池中，并逐渐旋转和上升。在此过程中，硅材料的结晶方向沿着单晶硅种子的方向生长，从而形成一根长大的单晶硅棒，待生长到足够长度后，用锯切成片，完成硅晶圆的生产。

CZ 法制备单晶硅，具有设备简单、生长效率高、硅晶圆品质高等优点，产量也比其他方法更大。但同时也存在一些问题，如在生长过程中，液态硅池会被内集热效应烧坏，还会固溶含杂质，这些杂质会影响硅晶的电性能等，需要通过优化工艺来改善。

1.2 查克洛斯基法相关专利

在查克洛斯基法提出后，多家研究机构及科研院所分别开展持续性研究，并将其拓展到各自领域，比较有代表的有以下几家。

贝尔实验室早在1971 年的US3614447A 中将其应用于调制半导体激光器的制作中，用于改进半导体激光器的性能。

西门子公司甚至在1976 年的US3999950A 中进行了外太空晶体生长的研究，利用在宇宙真空中自由浮动的熔体，然后熔体以取向状态固化，通过使用小的天然或人造天体作为参考体来进行熔化和拉动过程，使得参考体对熔体的重力效应远小于熔体的地面重量。

国内相关研究也在蓬勃开展中，中国科学院福建物质结构研究所在1998 年的CN1225951A 中提出气冷晶体法生长低温相偏硼酸钡（β—BBO）大单晶的要点是在用熔盐提拉法或熔盐籽晶法生长BBO 晶体时，用压缩气体通过导管连续地吹向正在生长的晶体的上表面。由于晶体表面不断受到冷却，加快了生长界面处结晶时结晶热的散发和晶体生长界面处的排杂过程，从而提高了晶体的生长速度和质量。

由上述研究可知，虽然查克洛斯基法最初是为了生产单晶硅，但是分别在激光器、空间晶体生长、化学领域均有丰硕研究成果。

1.3 悬浮区熔法

悬浮区熔（Floating Zone，FZ）法是另一种常见的单晶硅制备方法。相比于CZ 法，FZ 法制备的单晶硅具有更高的电致变形应力（Elastic Strain Energy，ESE）、更低的杂质含量和热退火敏感性。该方法通常在高大比下进行，以获得更高的ESE，从而改善器件性能。

FZ 法通过两种材料间的热核反应制造单晶硅。首先，通过一个加热器对两块高纯度硅材料进行加热，直到它们融合在一起，形成一个窄的悬浮区（Floating Zone）。在该区域中，将光阴极射线注入钨丝签扩散器中，产生的热量会将悬浮区域熔化，使其缓慢旋转并移动，生成悬浮区的纯度和晶体质量更高的新硅晶棒。

1.4 悬浮区熔法相关专利

悬浮区熔法研发虽然晚，但是由于其良好的杂质纯度，一经公布，多家研究机构和科研院所迅速开展持续性研究，并将其拓展到各自领域，比较有代表的有以下几个。

KOJIMA HIRONAO SEIKO EPSON CORP 在1990 年的JPH02275800A 提出超导氧化物单晶及其制备方法，通过在氧气压力下将超导氧化物烧结原料棒溶解于红外光集中加热炉中提供的以氧化铜为主要成分的溶剂层中并生长单晶，从而容易地获得具有优异质量和大尺寸的超导氧化物单晶。

SHINETSU HANDOTAI KK 和 SHINETSU CHEMICAL CO 在2002 年的JP2002134410A 提出半导体衬底和利用该半导体衬底的太阳能电池及其制造方法，在该方法中，可以显著降低半导体基板的制造成本，同时消除光电转换效率的老化效应。解决方案：用于制造半导体衬底的方法包括通过切割多晶棒来制造多晶晶片的步骤，所述多晶棒通过用期望的杂质掺杂剂掺杂半导体材料而生长。

中国科学院物理研究所在1995年的CN1143124A提出掺镱的钒酸钇激光晶体及其制备方法，提供一种荧光寿命达1.85 ms，具有高受激发射截面和低泵功率阈值的掺镱钒酸钇，及提供一种不用坩埚作晶体生长容器，并在生长过程中通入氧气的生长该激光晶体的浮区法。本发明的优点在于避免坩埚引入的杂质污染，及通入流动氧气减少V2O5 的挥发变价；该方法生长周期短，成品率高。

由上述研究可知，由于悬浮区熔法良好的杂质纯度，在甲硅烷、超导、太阳能电池、激光晶体、单晶体方面有丰硕的研究成果。

2 晶圆制造

2.1 晶圆制造中的关键技术难点

单晶硅是制造半导体器件的重要材料之一。通过热力学方法或液相法生长出单晶硅原料，再经过切割和抛光等工艺步骤，将其加工成直径为300 mm的硅片，也就是晶圆［3］。晶圆经过光刻、电子束曝光、薄膜沉积、热处理等多道工序的加工，最终制成微电子器件和集成电路。单晶硅到晶圆的加工过程是半导体行业中的关键步骤，需要高度的技术和精密的生产设备进行加工和控制。晶圆制造是集成电路产业的核心部分，其生产过程非常复杂，技术难点也很多，主要包括以下几个方面。

2.1.1 光刻技术。光刻技术是集成电路制造过程中最基础、最重要的微影技术，其质量直接影响晶体管等元件的性能表现。光刻技术主要包括光源、光学系统、掩模和曝光工艺，其中光学系统和具有亚纳米级分辨率的曝光工艺是技术难点。

2.1.2 薄膜沉积技术。薄膜沉积技术是集成电路制造过程中必不可少的技术，它通过化学气相沉积、物理蒸发沉积等方法在晶片表面沉积各种金属、氧化物、氮化物等材料，以形成寄生电容、电感、电阻、导体等元器件。但由于沉积工艺的高复杂性和过程的难以控制，薄膜沉积技术也成了晶圆制造的技术难点。

2.1.3 电子束曝光技术。在半导体工艺中，电子束曝光是一种高精度的微影技术，是晶圆制造中的关键技术之一。电子束曝光技术能够取代传统的光刻技术，实现亚微米级别的线宽精度和位置控制。但是，电子束曝光技术也存在着能量损失、方向控制、场强调节等方面的技术难点。

2.1.4 热处理技术。热处理技术是集成电路工艺中不可或缺的一环，它将基片上有杂质、结构不良的多晶硅进行加热，使之在单晶硅的晶体种子作用下形成单晶硅，然后再进行键合、分割等后续步骤，形成可用于制作器件的硅片。热处理技术是制造高品质晶圆的关键，其技术难点主要在于温度控制、气氛控制、脱氧等方面。

2.2 晶圆制造中相关专利

全球各个申请地晶圆申请量如图1 所示。从全球申请量、申请国别（含WIPO和EPO）及申请主体分析看，我国在晶圆专利申请方面始终处于绝对领先地位，虽然单一申请主体的申请量不是最高，但是我国采用多点开花的策略，充分激活了市场主体，使得多个申请主体充分竞争，共同促进了晶圆生产技术的进步，最大限度地发挥了专利对技术进步的促进作用。

图1 2000年以来主要申请地晶圆专利数量分析

2.3 中国在晶圆制造技术方面的优势和劣势

优势主要体现在以下三个方面。

市场需求巨大。中国是全球晶圆制造的最大市场之一，其市场需求量巨大，使得国内晶圆制造业具有很大的发展潜力。

原材料丰富。中国拥有丰富的硅矿资源，且国内的硅原料价格比国外低廉，这对于晶圆制造原材料成本的控制有着很大的优势。

技术水平逐渐提高。近年来，国内晶圆制造企业在经过了多年的经验积累和技术研发后，逐渐积累了一定的技术实力，其技术水平逐渐提高。

劣势主要体现在以下三个方面。

依赖进口技术。国内晶圆制造技术水平相对于国际先进水平仍有一定的差距，导致国内晶圆制造企业依赖进口技术和设备。

生产成本较高。由于国内原材料和设备的技术水平与国外差距较大，所以导致国内晶圆制造企业的生产成本相对较高。

资金和技术投入不足。国内晶圆制造企业的资金和技术投入相对国外来说较少，这也是制约国内晶圆制造业发展的一个重要因素。

3 结论

3.1 半导体领域态势

半导体领域是高科技产业的重要领域之一，其中有不少技术被外国公司垄断，使得中国企业在获取这些关键技术或者配件时受到限制，造成了“卡脖子”现象。以下是一些常见的“卡脖子”技术。

先进制程技术。目前全球最先进的芯片制程技术精度是7 nm和3 nm，部分技术被美国企业垄断，中国企业需要借助外国技术或合资的方式才能获取。

晶圆制造装备技术。晶圆制造装备主要包括光刻、蚀刻、离子注入等多项技术，这些技术被部分国外公司垄断，中国企业需要大量进口这些设备。

EDA软件。EDA（电子设计自动化）软件在芯片设计过程中起着重要作用，而EDA 软件主要被美国公司和欧洲公司占据了市场份额。

3.2 应对策略

中国的应对策略可以从以下几个方面加强。

把握自主可控。加强国内关键技术的研发和创新，降低对外依赖，推进自主可控。中国将通过提高制造业和材料科学的自主创新能力，不断加强在关键领域的自主可控，在半导体、新能源、新材料等领域建立自主创新体系，如研发新的芯片制造工艺与工具、晶圆生产设备等。

强化技术转让交流。通过技术转移和交流，加强国内技术的引入与推广，实现技术共享，特别关注国际领先技术的引进与消化吸收。

加强政策引导。针对半导体产业的政策制定和引导，鼓励国内企业加强自主研发和技术合作，鼓励合作共赢，加强资本市场支持。

人才培养。加强半导体领域相关的人才教育培养，培养具有较高技术素质和创新精神的优秀人才，为半导体产业的可持续发展奠定基础。

总之，针对半导体行业的“卡脖子”现象，需要在技术自主创新、产业链上下游企业合作、政策引导、人才培养等方面加强应对，从而推动我国半导体产业的快速发展、升级和突破。