晶圆制造到底有多难?难在哪?

近年来,国家对半导体行业越来越重视,已经将集成电路作为重点发展的战略产业之一。作为全球最重要的电子制造基地,中国的电子应用市场巨大,有着广阔的前景。尽管如此,我们仍不能过于骄傲,毕竟还有很多的技术等待着去突破,除了芯片相关技术,晶圆的制造也是相对薄弱的环节。

 
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅,而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。
晶圆制造到底有多难?难在哪?
电子产业有一个特点,越往上游企业相对越少,技术难度越大,晶圆是造芯片的原材料,属于芯片的上游。芯片、晶圆制造都属于 “航天级”的尖端技术,难度系数均是最高的一级,晶圆制造是比造芯片还要难的一门技术。如果把芯片比作宇宙飞船,那么晶圆就是航空母舰了,没几家能造得出来。
  
据OFweek电子工程网获悉,全球能制造高纯度电子级硅的企业不足100家,其中主要的15家硅晶圆厂垄断95%以上的市场。在晶圆制造上,没有所谓的“百花齐放”,有的是巨头们的“孤芳自赏”,正是如此,全球的晶圆也是持续涨价,市场呈现一种繁荣景气的形势。
  
硅晶圆制造的三大步骤
  
硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的制造有三大步骤:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。
  
1、硅提炼及提纯
  
硅的提纯是第一道工序,需将沙石原料放入一个温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中,在高温下发生还原反应得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的多晶硅。
  
2、单晶硅生长
晶圆制造到底有多难?难在哪?
                                                                      (用直拉法制造晶圆的流程图)
  
晶圆企业常用的是直拉法,如上图所示,高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,并用外面围绕着的石墨加热器不断加热,温度维持在大约一千多摄氏度,炉中的空气通常是惰性气体,使多晶硅熔化,同时又不会产生不需要的化学反应。
  
为了形成单晶硅,还需要控制晶体的方向,坩埚带着多晶硅熔化物在旋转,把一颗籽晶浸入其中,并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。
  
熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。用直拉法生长后,单晶棒将按适当的尺寸进行切割,然后进行研磨,再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜,这时候晶圆片就制造完成了。
  
晶圆制造厂把这些多晶硅融解,再在融液里种入籽晶,然后将其慢慢拉出,以形成圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成。
  
3、晶圆成型
  
完成了上述两道工艺, 硅晶棒再经过切段,滚磨,切片,倒角,抛光,激光刻,包装后,即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片,这就是“晶圆”。
  
晶圆制造到底难在哪?
  
晶圆的制造工艺倒不是很复杂,其难度在于半导体产品对晶圆的纯度要求很高,纯度需要达到99.999999999%或以上。
  
以硅晶片为例,硅从石英砂里提炼出来,在高温下,碳和里面的二氧化硅发生化学反应只能得到纯度约为98%的纯硅,这对于微电子器件来说不够纯,因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此需要进一步提纯。
  
而在进行硅的进一步提纯工艺中,光刻技术的难度很高,在晶圆制造工艺中,光刻是必须经历的一个步骤。
  
光刻工艺是晶圆制造最大的“一道坎”
  
晶圆制造中的光刻是指在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。
  
1、光刻去薄膜是晶圆制造的必经流程
  
由于晶圆生产工艺中,其表面会形成薄膜,这需要光刻技术将它去掉。在晶圆制造过程中,晶体、电容、电阻等在晶圆表面或表层内构成,这些部件是每次在一个掩膜层上生成的,并且结合生成薄膜及去除特定部分,通过光刻工艺过程,最终在晶圆上保留特征图形的部分。
  
2、光刻确定尺寸,马虎不得
  
光刻确定了器件的关键尺寸,光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好,最终可转化为对器件的电特性产生影响。
  
3、高端光刻机产能严重不足
  
光刻机也叫掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,常用的光刻机是掩膜对准光刻。光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。目前光刻机市场,以荷兰、日本的企业为主力军,全球能制造出光刻机的企业不足百家,能造出顶尖的光刻机的不足五家,在高端光刻机市场,中国企业几乎全军覆没。
  
15家硅晶圆供应商垄断95%以上市场
  
正是由于晶圆制造难度大,客户对纯度与尺寸的要求很高,全球的主要15家硅晶圆供应商垄断了95%以上市场。
晶圆制造到底有多难?难在哪?