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一篇文章带你了解半导体硅晶片
来源: | 作者:赛邦电子 | 发布时间: 2018-01-03 | 5068 次浏览 | 分享到:

半导体硅片通常由高纯度的多晶硅锭釆用查克洛斯法(CZ Method)为主拉成不同电阻率的硅单晶锭,然而经过晶体定向→外园滚磨→加工主、副参考面→切片→倒角→热处理→研磨→化学腐蚀→抛光→清洗→检测→包装等工序。

根据硅纯度的不同要求,可分为太阳能等级99,9999%,6个“9”纯度,以及半导体等级11个“9”。本文只涉及半导体用的硅片。

在半导体制造业中广泛使用各种不同尺寸与规格的硅片,通常包括4英寸,5英寸,6英寸,8英寸及12英寸,它们的基本规格如下表所示。 

按IC Insight资料,2015年底全球半导体安装产能总计月产1635.3万片(8英寸计),按地区分布,台湾地区依月产354.7万片,市占率达21.7%,居全球首位,韩国依月产335.7万片,市占率20.5%居第二,日本依月产282.4万片,市占率17.3%,居第三,北美依月产232万片,市占率14.2%居第四,中国依月产159.1万片,市占率9.7%居第五位,欧洲依月产104.6万片,市占率6.4%居第六位,其它地区市占率10.2%。

由于缺乏统一定义,硅片尺寸的过渡的时间无法达成共识,其中有一种观点认为累积硅片的出货量超过100万片时,表示该硅片尺寸进入。实际上如英特尔等总是领先其它业者,首先进入更大尺寸的硅片。

现将SEMI于2006年的说法,全球硅片尺寸的过渡时间表列于如下;4英寸硅片于1986年;6英寸于1992年;8英寸于1997年及12英寸于2005年。而如果依英特尔的芯片生产线建设(见intel’s all fab list),它的3英寸生产线于1972年 FAB2 ;4英寸生产线于1973年FAB4;6英寸生产线于1978年 FAB5;8英寸生产线于1992年 FAB15;以及它的第一条12英寸生产线于2002年FAB12 in Hillsboro,与IBM同步。

业界较为公认的说法,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年时英特尔与IBM首先建12英寸生产线,到2005年己占20%,及2008年占30%,而那时8英寸己下降至54%及6英寸下降主11%。

多晶硅的原材料,高纯度的石英,目前已知的全世界的储量,中国最多,品质最好,但是我国之前却是将石英矿沙在高温下还原成金属硅后低价外销,再高价进口多晶硅,并且石英还原成金属硅的阶段是高度污染的。好在近些年光伏产业带动了国内多晶硅产业的发展,目前太阳能等级的多晶硅,我国的产量已经是全球第一。

截止2014年,全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,平均约450万片/月。2015年第1~第2季度每月平均需求量约500万片。

现在300mm半导体级的硅片,国内一个月需求量约45-50万片,而目前国内的产量几乎为零,这是产业链上最为紧缺的一环,预计未来的5年内仅300mm硅片中国的需求量要超过月产100万片以上。而从硅片的市场供应,全球日本生产的最多,日本信越和SUMCO,这两家的产能和实际供应量总和占全球2/3以上。300mm半导体级的大硅片,不仅是产业链缺失的重要一环,也是国家安全战略发展的需要。

国家在2012--2013年时科技部的02专项中,已有大硅片方面项目的经费准备,但迟迟不能立项,原因就是虽然有国内研发机构曾经做过12寸大硅片,研发成功,但由于良率不高还不能量产。2014年,科技部02专项的领导下定决心要攻克12英寸硅片难关。要求是不仅研发成功,更要量产成功。量产的概念不是几千片,是每个月10万片以上交付客户,连续6个月交付客户10万片以上,才算完成项目。

全球硅晶园片于2015年的供应商排名,日本信越半导体第一位,占比27%,日本胜高科技(SUMCO)占比26%居第二,环球晶园占比7%,Siltronic占比13%,LG占比9%,SunEdison占比10%,及其它8%。

由国家立项的12英寸硅片项目己经启动,叫上海新昇半导体科技有限公司,成立于2014年6月,坐落于临港重装备区内,占地150亩,总投资68亿元,一期总投资23亿元。新昇半导体第一期目标致力于在我国研究、开发适用于40-28nm节点的300mm硅单晶生长、硅片加工、外延片制备、硅片分析检测等硅片产业化成套量产工艺;建设300毫米半导体硅片的生产基地,实现300毫米半导体硅片的国产化,充分满足我国极大规模集成电路产业对硅衬底基础材料的迫切要求。新昇半导体一期投入后,预计月产能为15万片12英寸和5万片8英寸硅片,最终将形成300mm硅片60万片/月的产能,年产值达到60亿元。新昇将与世界一流技术接轨,达到世界先进水平。

全球硅片出货量与销售额;2007时为8,661MSI,销售额达121亿美元,到2010年时为9,04MSI,销售额为97亿美元,以及2015年的10,43MSI,销售额为72亿美元,反映全球的硅片出货量增长缓慢,而它的销售额逐年在下降。

l 450毫米硅片

为了加速发展450mm(18英寸)晶园,全球五大半导体业者IBM、英特尔、三星电子、台积电和GlobalFoundries在2011年共同成立全球450mm联盟,简称G450,并于美国纽约州Albany设立450mm晶园技术研发中心。

450mm联盟成立后,18寸晶园世代的技术和机台设备有不少方针已开始确立,是半导体产业迈入18寸晶园世代的重要里程碑,目的是推动 450 mm 硅片技术的发展。

实际上在2012年期间,除了G450C 联盟之外、全球尚有EEMI450 联盟 ( 欧洲 ) 和 Metro450 联盟 ( 以 色列) ,共计三个联盟来推动450毫米硅片的进展,目标是可互用研究结果,减少重复性的实验。

除此之外,半导体制造技术战略联盟 (SEMATECH) 和国际半导体设备与材料协 会 (SEMI) 等也在推动全球产业链的合作研发,因为硅片直径的增大将牵动整个产业链很大的改变。

然而,450毫米硅片的进程自开始就有不同的看法,其中最为关键是半导体设备供应商,包括如应用材料公司等缺乏积极性,理由是450毫米设备不是简单地把腔体的直径放大,而是要从根本上对于设备进行重新设计,因此面临着经费与人力等问题,更多的担心是未来的市场,能否有足够的投资回报率。所以关于450毫米硅片的声浪是时起彼伏,尽管英特尔,三星及台积电等大厂信心满满,实际上是雷声大雨点小。

自2014 年开始G450C 联盟出现暂缓研发 450 mm 硅片的迹象;。尽管如TSMC等曾 宣布 将于2018 -2019年期间会采用450毫米硅片。然而依目前半导体业的态势观察,现在还很难取得实质性的进展。

采用450毫米硅片,如同前几次硅片增大直径一样,关键在于从经济上要有它的利益点,包括芯片制造商及设备供应商在内,另一个是产业发展需要扩大产能的迫切性,所以等待未来市场的再次高潮到来。

不管如何,450毫米硅片对于全球半导体业仍是一个悬而未决的课题。