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晶圓制造到底有多難?15家硅晶圓供應商壟斷95%以上市場


近年來,國家對半導體行業越來越重視,已經將集成電路作為重點發展的戰略產業之一。作為全球最重要的電子制造基地,中國的電子應用市場巨大,有著廣闊的前景。盡管如此,我們仍不能過于驕傲,畢竟還有很多的技術等待著去突破,除了芯片相關技術,晶圓的制造也是相對薄弱的環節。
[導讀]
芯片、晶圓制造都屬于 “航天級”的尖端技術,難度系數均是最高的一級,晶圓制造是比造芯片還要難的一門技術。如果把芯片比作宇宙飛船,那么晶圓就是航空母艦了,沒幾家能造得出來。

本文引用地址: http://www.21ic.com/news/semi/201808/808775.htm

 

晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場

 

電子產業有一個特點,越往上游企業相對越少,技術難度越大,晶圓是造芯片的原材料,屬于芯片的上游。芯片、晶圓制造都屬于 “航天級”的尖端技術,難度系數均是最高的一級,晶圓制造是比造芯片還要難的一門技術。如果把芯片比作宇宙飛船,那么晶圓就是航空母艦了,沒幾家能造得出來。

據OFweek電子工程網獲悉,全球能制造高純度電子級硅的企業不足100家,其中主要的15家硅晶圓廠壟斷95%以上的市場。在晶圓制造上,沒有所謂的“百花齊放”,有的是巨頭們的“孤芳自賞”,正是如此,全球的晶圓也是持續漲價,市場呈現一種繁榮景氣的形勢。

硅晶圓制造的三大步驟

硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中,硅晶圓的制造有三大步驟:硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。

1、硅提煉及提純

硅的提純是第一道工序,需將沙石原料放入一個溫度超過兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中,在高溫下發生還原反應得到冶金級硅,然后將粉碎的冶金級硅與氣態的氯化氫反應,生成液態的硅烷,然后通過蒸餾和化學還原工藝,得到了高純度的多晶硅。

2、單晶硅生長

 

晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場

 

(用直拉法制造晶圓的流程圖,由OFweek電子工程網制作)

晶圓企業常用的是直拉法,如上圖所示,高純度的多晶硅放在石英坩堝中,并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱,溫度維持在大約一千多攝氏度,爐中的空氣通常是惰性氣體,使多晶硅熔化,同時又不會產生不需要的化學反應。

為了形成單晶硅,還需要控制晶體的方向,坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉,把一顆籽晶浸入其中,并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉,同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅會粘在籽晶的底端,按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。用直拉法生長后,單晶棒將按適當的尺寸進行切割,然后進行研磨,再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡,這時候晶圓片就制造完成了。

晶圓制造廠把這些多晶硅融解,再在融液里種入籽晶,然后將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的硅原料中逐漸生成。

3、晶圓成型

完成了上述兩道工藝, 硅晶棒再經過切段,滾磨,切片,倒角,拋光,激光刻,包裝后,即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是“晶圓”。

晶圓制造到底難在哪?

晶圓的制造工藝倒不是很復雜,其難度在于半導體產品對晶圓的純度要求很高,純度需要達到99.999999999%或以上。

以硅晶片為例,硅從石英砂里提煉出來,在高溫下,碳和里面的二氧化硅發生化學反應只能得到純度約為98%的純硅,這對于微電子器件來說不夠純,因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感,因此需要進一步提純。

而在進行硅的進一步提純工藝中,光刻技術的難度很高,在晶圓制造工藝中,光刻是必須經歷的一個步驟。

光刻工藝是晶圓制造最大的“一道坎”

晶圓制造中的光刻是指在硅片表面勻膠,然后將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過程將器件或電路結構臨時“復制”到硅片上的過程。

1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經流程

由于晶圓生產工藝中,其表面會形成薄膜,這需要光刻技術將它去掉。在晶圓制造過程中,晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內構成,這些部件是每次在一個掩膜層上生成的,并且結合生成薄膜及去除特定部分,通過光刻工藝過程,最終在晶圓上保留特征圖形的部分。

2、光刻確定尺寸,馬虎不得

光刻確定了器件的關鍵尺寸,光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好,最終可轉化為對器件的電特性產生影響。

3、高端光刻機產能嚴重不足

光刻機也叫掩模對準曝光機,曝光系統,光刻系統等,常用的光刻機是掩膜對準光刻。光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機市場,以荷蘭、日本的企業為主力軍,全球能制造出光刻機的企業不足百家,能造出頂尖的光刻機的不足五家,在高端光刻機市場,中國企業幾乎全軍覆沒。

15家硅晶圓供應商壟斷95%以上市場

正是由于晶圓制造難度大,客戶對純度與尺寸的要求很高,全球的主要15家硅晶圓供應商壟斷了95%以上市場。

 

晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場

 

以信越半導體、盛高、環球晶圓、世創、LG等為代表的晶圓企業幾乎供應了全球八成的半導體企業,而且長期處于供不應求的狀態。以全球第三大晶圓廠臺灣環球晶圓為例,其晶圓訂單到2020年方可消化完全。

 

晶圓制造到底有多難?全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場

 

由于布局早、產業鏈成熟等原因,臺灣和日本的晶圓企業占據了全球主要產能。技術上,它們的優勢非常明顯,尤其是在大尺寸的晶圓生產上。

中國這幾年對晶圓生產的重視,誕生了許多晶圓企業,逐步形成了長三角、中西部為核心、輻射周邊的局面,目前很多企業都具備8英寸晶圓的實力。據悉,12英寸晶圓方面也是好消息不斷,上海新昇近日表示,他們的12英寸晶圓已通過認證,預計年底能達到每個月10萬片的產能。

綜述:隨著AI、物聯網的發展,晶圓市場會更加緊俏,尤其是大尺寸、高純度的晶圓,巨大的市場前景也讓很多企業蠢蠢欲動。未來,晶圓制造工藝會越來越透明化,對于初創企業而言,通過學習“前輩們”的經驗,將晶圓工藝中的這些技術難題逐一解決,挑戰巨頭的地位就多了些籌碼,晶圓市場不應該只是這幾家的天下。


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