一文看懂半導體硅材料

來源:長城證券趙成 旺材芯片

硅片又稱硅晶圓片, 是制作集成電路的重要材料,通過對硅片進行光刻、離子注入等手段,可以制成集成電路和各種半導體器件。 硅片是以硅為材料制造的片狀物體,直徑有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸等規格。單晶硅是硅的單晶體,是一種比較活潑的非金屬元素,具有基本完整的點陣結構。不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導材料。純度要求達到 99.9999%,甚至達到 99.9999999%,雜質的含量降到 10-9的水平。采用西門子法可以制備高純多晶硅,然后以多晶硅為原料,采用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單晶硅圓片按其直徑主要分為 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸及 18 英寸等。

硅( Si)是目前最重要的半導體材料,全球 95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基底功能材料而生產出來的。在可預見的未來,還沒有其它材料(如石墨烯等)可以替代硅的地位。 在半導體制造業中廣泛使用各種不同尺寸與規格的硅片,通常包括 4 英寸、 5英寸、 6 英寸、 8 英寸及 12 英寸,它們的基本規格如下表所示:

直拉法和區熔法的比較

硅片尺寸越大,將來在制成的每塊晶圓上就能切割出更多的芯片,單位芯片的成本也就更低。在 1960 年時期就有了 0.75 英寸(約 20mm)左右的單晶硅片。在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩爾定律時,還是以分立器件為主的晶體管,然后開始使用少量的 1.25 英寸小硅片,進而集成電路用的 1.5 英寸硅片更是需求大增。

之后,經過 2 英寸, 3 英寸,和4 英寸。接下來 5 英寸, 6 英寸, 8 英寸,然后進入 12 英寸。 業界較為公認的說法, 1980年代是 4 英寸硅片占主流,1990 年代是 6 英寸占主流,2000 年代是 8 英寸占主流,到 2002年時英特爾與 IBM 首先建 12 英寸生產線,到 2005 年已占 20%,及 2008 年占 30%,而那時 8 英寸已下降至 54%及 6 英寸下降至 11%。 預計在 2020 年左右, 18 英寸( 450mm)的硅片將開始投入使用。

半導體硅片尺寸發展歷程

單晶硅片是制造半導體硅器件的原料,用于制作大功率整流器、 大功率晶體管、二極管、開關器件等,其后續產品集成電路和半導體分立器件已廣泛應用于各個領域。單晶硅作為一種重要的半導體材料,在光電轉換、傳統半導體器件中其應用已十分普遍。以電驅動的發光光源,如放電燈、熒光燈或陰極射線發光屏、 發光二極管等。從信息角度來看,可利用光發射、放大、調制、加工處理、存儲、測量、顯示等技術和元件,構成具有特定功能的光電子學系統。例如,利用光纖通信可以實現迅速和大容量信息傳送的目的。它使原來類似的技術水平得到大幅度的提高。

半導體單晶硅片的生產工藝流程

單晶硅片是單晶硅棒經由一系列工藝切割而成的,制備單晶硅的方法有直拉法( CZ 法)、區熔法( FZ 法)和外延法,其中直拉法和區熔法用于制備單晶硅棒材。區熔硅單晶的最大需求來自于功率半導體器件。

單晶硅制備流程

直拉法簡稱 CZ 法。 CZ 法的特點是在一個直筒型的熱系統匯總,用石墨電阻加熱,將裝在高純度石英坩堝中的多晶硅熔化,然后將籽晶插入熔體表面進行熔接,同時轉動籽晶,再反轉坩堝,籽晶緩慢向上提升,經過引晶、放大、轉肩、等徑生長、收尾等過程,得到單晶硅。

區熔法是利用多晶錠分區熔化和結晶半導體晶體生長的一種方法,利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區,再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動,通過整根棒料,生長成一根單晶,晶向與籽晶的相同。區熔法又分為兩種:水平區熔法和立式懸浮區熔法。前者主要用于鍺、 GaAs 等材料的提純和單晶生長。后者是在氣氛或真空的爐室中,利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區,然后使熔區向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托,懸浮于多晶棒與單晶之間,故稱為懸浮區熔法。

直拉法和區熔法的比較

單晶硅是從大自然豐富的硅原料中提純制造出多晶硅,再通過區熔或直拉法生產出區熔單晶或直拉單晶硅,進一步形成硅片、拋光片、外延片等。直拉法生長出的單晶硅,用在生產低功率的集成電路元件。而區熔法生長出的單晶硅則主要用在高功率的電子元件。直拉法加工工藝:加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長,長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出,即完成一次生長周期。

懸浮區熔法加工工藝:先從上、下兩軸用夾具精確地垂直固定棒狀多晶錠。用電子轟擊、高頻感應或光學聚焦法將一段區域熔化,使液體靠表面張力支持而不墜落。移動樣品或加熱器使熔區移動。這種方法不用坩堝,能避免坩堝污染,因而可以制備很純的單晶,也可采用此法進行區熔。

半導體單晶硅片加工工藝流程

工業生產中對硅的需求主要來自于兩個方面:半導體級和光伏級。半導體級單晶硅和光伏級單晶硅在加工工藝流程中存在著一些差異,半導體級單晶硅的純度遠遠高于光伏級單晶硅。半導體級單晶硅片的加工工藝流程:單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型槽處理→切片,倒角→研磨,腐蝕--拋光→清洗→包裝。

半導體單晶硅片切割工藝流程

單晶硅片產業鏈分析

單晶硅的制備工藝不同,所得到產品的純度和性能差異很大,因此其下游應用領域也有所區別。單晶硅在日常生活中是電子計算機、自動控制系統等現代科學技術中不可缺少的基本材料。電視、電腦、手機、汽車,處處都離不開單晶硅材料,單晶硅作為科技應用普及材料之一,已經滲透到人們生活中的各個角落。

單晶硅及其應用分類

整個單晶硅的產業鏈比較長,從最上游的多晶硅原料和設備等,到中游的單晶硅硅片,延伸至下游的電力電子器件、高效率太陽能光伏電池、射頻器件和微電子機械系統、各種探測器和傳感器等,最后到計算機、汽車、光伏等各大行業。日本信越化工和 SUMCO公司在單晶硅片領域占據了市場重要地位。

單晶硅產業鏈全景圖

(1)上游設備原材料格局

半導體元件所使用的單晶硅片系采用多晶硅原料再經由單晶生長技術所生產出來的。晶硅是單質硅的一種形態, 熔融的單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格的形態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來形成的晶體就叫多晶硅。

多晶硅所使用的原材料來自硅砂(二氧化硅),以鹽酸(或氯氣、氫氣)和冶金級工業硅為原料,將粗硅(工業硅)粉與鹽酸在高溫下合成為三氯氫硅,然后對三氯氫硅進行化學精制提純,接著對三氯氫硅進行多級精餾,使其純度達到 9 個 9 以上,其中金屬雜質總含量應降到 0.1ppba 以下,最后在還原爐中 在 1050℃的硅芯上用超高純的氫氣對三氯氫硅進行還原而長成高純多晶硅棒,再通過單晶生長技術生產處單晶硅片。

電子級多晶硅(用于制備半導體單晶硅) 與太陽能級多晶硅的區別主要就在于對純度的控制,最明顯的就在精餾工序,電子級和太陽能級的塔高和數量相差很大。太陽能能多晶硅純度為小數點后 6 個 9,電子級多晶硅小數點 12 個 9,整個工藝流程電子級比太陽能級在原料純度,管道清洗,提純塔,廠房潔凈度等要求都要高。

電子級多晶硅的等級及相關技術要求

電子級多晶硅材料的生產與太陽能級多晶硅相比,對產品純度、雜質控制的要求都非??量?,此過程中氯硅烷的分離提純工藝是關鍵步驟。三氯氫硅除硼一直是國內電子級多晶硅材料領域的技術瓶頸。

電子級多晶硅與太陽能級多晶硅的區別

近幾年來,隨著消費電子的快速發展以及未來汽車產生的大量需求,全球電子級多晶硅料需求量穩步,預計未來幾年對于硅片的消費量會保持現在的上升趨勢。

全球電子硅材料需求情況

(2)關鍵生產設備都來自國外

單晶硅棒加工成單晶硅拋光硅片的加工流程: 單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型槽處理→切片,倒角→研磨,腐蝕--拋光→清洗→包裝。通常一條生產線需要如下的設備配置。目前國產設備雖然已經覆蓋生產線的各個環節,但在質量和精度方面與進口設備差距較大。因此,目前國內單晶硅廠商都采用進口設備來進行生產。

單晶硅生產線設備配置

單晶爐是一種在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設備。 單晶硅爐型號有兩種命名方式,一種為投料量,一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號是由投料量決定, 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。單晶硅爐的主體構成由主機、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成。

半導體材料有別于一般電子產業,不僅在純度與不純物的規格要求相當高,連從原物料的來源與合成制造的生產過程都必須完全符合半導體制造商的規定,才有機會打入供應體系。

再者,材料供應商與半導體制造商就先進制程技術的開發時,材料業者須亦步亦趨隨時配合與反應制程參數調整的結果,國內材料廠雖具有就近協助與供應的優勢,但配合度與效率卻不如國際大廠。

國內外主要單晶硅爐生產廠商的現金產品

(3)半導體硅片全球格局情況

國際半導體產業協會(SEMI)最新統計數據顯示, 2016 年第三季全球硅晶圓出貨面積再度打破歷史紀錄,達到 27.30 億平方英寸。與前一季 27.06 億平方英寸相比,第三季出貨面積成長 0.9%,也較 2015 年第三季的 25.91 億平方英寸增加 5.4%。硅晶圓是制造半導體器件的基礎材料,對于電腦、通訊、消費性電子等所有電子產品來說,都是十分重要的物資。其出貨面積持續成長,也顯示市場對電子產品的需求仍在不斷成長。

127頁PPT看懂單晶半導體材料制備技術‘

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