一文看懂半導(dǎo)體硅片所有貓膩

1、一文看懂半導(dǎo)體硅片所有貓膩半導(dǎo)體單晶硅片的生產(chǎn)工藝流程單晶硅片是單晶硅棒經(jīng)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(qū)熔法 （ FZ 法）和外延法，其中直拉法和區(qū)熔法用于制備單晶硅棒材。區(qū)熔硅單晶的最大需求來(lái)自于功率半導(dǎo)體器件。單晶硅制備流程直拉法簡(jiǎn)稱CZ 法。 CZ 法的特點(diǎn)是在一個(gè)直筒型的熱系統(tǒng)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(jìn)行熔接，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶，再反轉(zhuǎn)坩堝，籽晶緩慢向上提升，經(jīng)過(guò)引晶、放大、轉(zhuǎn)肩、等徑生長(zhǎng)、收尾等過(guò)程，得到單晶硅。區(qū)熔法是利用多晶錠分區(qū)熔化和結(jié)晶半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的一種方法，利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)

2、生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動(dòng)，通過(guò)整根棒料，生長(zhǎng)成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區(qū)熔法又分為兩種：水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、GaAs 等材料的提純和單晶生長(zhǎng)。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(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動(dòng)進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。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(qū)熔法。巨頭壟斷硅片市場(chǎng)進(jìn)口替代可能性高直拉法和區(qū)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(guò)區(qū)熔或直拉法生產(chǎn)出區(qū)熔單晶或直拉單晶硅，進(jìn)一步形成硅片、拋光片、外延片等。

3、直拉法生長(zhǎng)出的單晶硅，用在生產(chǎn)低功率的集成電路元件。而區(qū)熔法生長(zhǎng)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(zhǎng)放肩生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)尾部生長(zhǎng)，長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長(zhǎng)周期。懸浮區(qū)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(yīng)或光學(xué)聚焦法將一段區(qū)域熔化，使液體靠表面張力支持而不墜落。移動(dòng)樣品或加熱器使熔區(qū)移動(dòng)。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(jìn)行區(qū)熔。半導(dǎo)體單晶硅片加工工藝流程工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)硅的需求主要來(lái)自于兩個(gè)方面：半導(dǎo)體級(jí)和光伏級(jí)。半導(dǎo)體級(jí)單晶硅和光伏級(jí)單晶硅在加工工藝流程

4、中存在著一些差異，半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光伏級(jí)單晶硅。半導(dǎo)體級(jí)單晶硅片的加工工藝流程：?jiǎn)尉L(zhǎng)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(dǎo)體單晶硅片切割工藝流程單晶硅片產(chǎn)業(yè)鏈分析單晶硅的制備工藝不同，所得到產(chǎn)品的純度和性能差異很大，因此其下游應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別。單晶硅在日常生活中是電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、手機(jī)、汽車(chē)，處處都離不開(kāi)單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個(gè)角落。單晶硅及其應(yīng)用分類整個(gè)單晶硅的產(chǎn)業(yè)鏈比較長(zhǎng)，從最上游的多晶硅原料和設(shè)備等，到中游的單晶硅硅片，延伸至下游的電力電

5、子器件、高效率太陽(yáng)能光伏電池、射頻器件和微電子機(jī)械系統(tǒng)、各種探測(cè)器和傳感器等，最后到計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、光伏等各大行業(yè)。日本信越化工和SUMCO 公司在單晶硅片領(lǐng)域占據(jù)了市場(chǎng)重要地位。單晶硅產(chǎn)業(yè)鏈全景圖（ 1 ）上游設(shè)備原材料格局半導(dǎo)體元件所使用的單晶硅片系采用多晶硅原料再經(jīng)由單晶生長(zhǎng)技術(shù)所生產(chǎn)出來(lái)的。晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格的形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)形成的晶體就叫多晶硅。多晶硅所使用的原材料來(lái)自硅砂（二氧化硅），以鹽酸（或氯氣、氫氣）和冶金級(jí)工業(yè)硅為原料，將粗硅（工業(yè)硅）粉與鹽酸在高溫下合成為三氯氫硅

6、，然后對(duì)三氯氫硅進(jìn)行化學(xué)精制提純，接著對(duì)三氯氫硅進(jìn)行多級(jí)精餾，使其純度達(dá)到9個(gè) 9 以上，其中金屬雜質(zhì)總含量應(yīng)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(duì)三氯氫硅進(jìn)行還原而長(zhǎng)成高純多晶硅棒，再通過(guò)單晶生長(zhǎng)技術(shù)生產(chǎn)處單晶硅片。電子級(jí)多晶硅（用于制備半導(dǎo)體單晶硅）與太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的區(qū)別主要就在于對(duì)純度的控制，最明顯的就在精餾工序，電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)的塔高和數(shù)量相差很大。太陽(yáng)能能多晶硅純度為小數(shù)點(diǎn)后6 個(gè)9，電子級(jí)多晶硅小數(shù)點(diǎn)12 個(gè)9，整個(gè)工藝流程電子級(jí)比太陽(yáng)能級(jí)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(jí)多晶硅的等級(jí)及相關(guān)技術(shù)要求電子級(jí)多晶硅材料的生產(chǎn)

7、與太陽(yáng)能級(jí)多晶硅相比，對(duì)產(chǎn)品純度、雜質(zhì)控制的要求都非常苛刻，此過(guò)程中氯硅烷的分離提純工藝是關(guān)鍵步驟。三氯氫硅除硼一直是國(guó)內(nèi)電子級(jí)多晶硅材料領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。電子級(jí)多晶硅與太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的區(qū)別近幾年來(lái)，隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展以及未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)生的大量需求，全球電子級(jí)多晶硅料需求量穩(wěn)步，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年對(duì)于硅片的消費(fèi)量會(huì)保持現(xiàn)在的上升趨勢(shì)。全球電子硅材料需求情況（ 2）關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備都來(lái)自國(guó)外單晶硅棒加工成單晶硅拋光硅片的加工流程：?jiǎn)尉L(zhǎng)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(chǎn)線需要如下的設(shè)備配置。目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備雖然已經(jīng)覆蓋生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)，但在質(zhì)量和精度方面與進(jìn)口

8、設(shè)備差距較大。因此，目前國(guó)內(nèi)單晶硅廠商都采用進(jìn)口設(shè)備來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。單晶硅生產(chǎn)線設(shè)備配置單晶爐是一種在惰性氣體（氮?dú)狻⒑鉃橹鳎┉h(huán)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(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶的設(shè)備。單晶硅爐型號(hào)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(hào)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(gòu)成由主機(jī)、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。半導(dǎo)體材料有別于一般電子產(chǎn)業(yè)，不僅在純度與不純物的規(guī)格要求相當(dāng)高，連從原物料的來(lái)源與合成制造的生產(chǎn)過(guò)程都必須完全符合半導(dǎo)體制造商的規(guī)定，才有機(jī)會(huì)打入供應(yīng)體系。再者，材料供應(yīng)商與半導(dǎo)體制造商就先進(jìn)制程技術(shù)的

9、開(kāi)發(fā)時(shí)，材料業(yè)者須亦步亦趨隨時(shí)配合與反應(yīng)制程參數(shù)調(diào)整的結(jié)果，國(guó)內(nèi)材料廠雖具有就近協(xié)助與供應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，但配合度與效率卻不如國(guó)際大廠。國(guó)內(nèi)外主要單晶硅爐生產(chǎn)廠商的現(xiàn)金產(chǎn)品 （ 3）半導(dǎo)體硅片全球格局情況國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（ SEMI ） 最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016 年第三季全球硅晶圓出貨面積再度打破歷史紀(jì)錄，達(dá)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(zhǎng)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(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，對(duì)于電腦、通訊、消費(fèi)性電子等所有電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，都是十分重要的物資。其出貨面積持續(xù)成長(zhǎng)，也顯示市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求

10、仍在不斷成長(zhǎng)。近五季全球硅晶圓出貨面積不斷上升全球硅片市場(chǎng)規(guī)模近幾年穩(wěn)步上升，未來(lái)上升將成為主要趨勢(shì)。 以工藝為標(biāo)準(zhǔn)可以將半導(dǎo)體材料分為晶圓制造材料和封裝材料。2015 年，總體晶圓制造市場(chǎng)達(dá)到241 億美元，封裝材料市場(chǎng)達(dá)到193 億美元。2015 年全球半導(dǎo)體單晶硅市場(chǎng)產(chǎn)值已達(dá)434 億美元，在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)中所占比重達(dá)到13%。 2013-2016 年全球硅片市場(chǎng)規(guī)模半導(dǎo)體材料分為晶圓制造材料和封裝材料，晶圓制造材料主要包括大硅片、光刻膠、濕化學(xué)品、特種氣體、拋光液和拋光墊等。硅片及硅基材是半導(dǎo)體材料中最重要的部分，占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)份額的32%，由于我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，再加上半導(dǎo)體硅

11、片的制備工藝要求極高，該部分市場(chǎng)幾乎均由國(guó)外廠商壟斷。目前主流半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)的全球寡頭壟斷已經(jīng)形成，日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)和韓國(guó)資本控制的6 大硅片公司的銷量占到 95%。 信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社作為日本半導(dǎo)體材料行業(yè)的龍頭企業(yè)之一，是全球最大的半導(dǎo)體硅片供應(yīng)商，2015 年在全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)中占有27%的份額，SUMCO 公司緊隨其后。硅晶圓產(chǎn)業(yè)幾乎由國(guó)外廠商壟斷半導(dǎo)體單晶硅片下游市場(chǎng)前景廣闊半導(dǎo)體單晶硅片下游市場(chǎng)整體向好，繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。2015 年全球半導(dǎo)體代工市場(chǎng)增長(zhǎng)4.4%， 達(dá)到 488 億美元。在新技術(shù)（云計(jì)算、人工智能、智能駕駛）逐步興起的背景下，基于對(duì)深度大數(shù)據(jù)處理的需求大幅

12、增加，將帶來(lái)半導(dǎo)體硬件設(shè)備的快速更新升級(jí)。半導(dǎo)體行業(yè)或迎來(lái)大規(guī)模發(fā)展契機(jī)。硅片是最主要的半導(dǎo)體材料，歷年來(lái)硅晶圓片的市場(chǎng)銷售額占整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)總銷售額的32%40%。近些年來(lái)，硅晶圓占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的比重基本保持穩(wěn)定，2013 年硅晶圓占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的比重為35%， 2015 年占比34%?？梢灶A(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年內(nèi)，硅晶圓依舊將在半導(dǎo)體材料市場(chǎng)占據(jù)重要地位。2015 年全球半導(dǎo)體前道各材料市場(chǎng)比重?cái)?shù)據(jù)顯示，2015 年硅拋光晶圓與硅外延晶圓合計(jì)10434MSI （百萬(wàn)平方英寸）； SEMI 協(xié)會(huì)表示，2015 年硅晶圓片總出貨量超越2014 年創(chuàng)下的歷史記錄，預(yù)計(jì)2016年和 2017 年有

13、望再創(chuàng)新高。2013-2017 年全球硅晶圓片的出貨量計(jì)雖然在 2005 年至 2010 年期間，不同尺寸硅片市場(chǎng)數(shù)據(jù)波動(dòng)起伏，但是從2011 年至 2015 年，全球不同尺寸硅片市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步上升。預(yù)計(jì)在2017 年硅片總量將超過(guò)120 億平方英寸，同時(shí)12 英寸硅片所占比重越來(lái)越大，牢牢占據(jù)主流地位。全球硅片市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測(cè)2015 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢，主要是因?yàn)?.9%的亞太地區(qū)增長(zhǎng)抵消了10.3%的日本下滑和8.2%的歐洲下滑。半導(dǎo)體需求主要受到PC 出貨放緩、美元升值、日本經(jīng)濟(jì)萎縮、歐洲危機(jī)和中國(guó)股票市場(chǎng)影響。其中，中國(guó)半導(dǎo)體銷售額占到全球半導(dǎo)體消費(fèi)的50%以上。未來(lái)幾年內(nèi)全球

14、半導(dǎo)體市場(chǎng)將呈現(xiàn)回暖趨勢(shì)，2016 年和 2017 年將分別增長(zhǎng)1.4%和3.1%。迄今為止，主要半導(dǎo)體市場(chǎng)亞太地區(qū)已經(jīng)推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)增長(zhǎng)； 鑒于中國(guó)經(jīng)濟(jì)疲軟，半導(dǎo)體市場(chǎng)將呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2017 年全球的半導(dǎo)體市場(chǎng)將呈現(xiàn)增長(zhǎng)勢(shì)頭，這將直接帶動(dòng)全球半導(dǎo)體級(jí)硅片市場(chǎng)的增長(zhǎng)，雖然增長(zhǎng)率有所放緩，但是增長(zhǎng)的趨勢(shì)是一定的。2014-2017 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模出和設(shè)備投資規(guī)模在未來(lái)兩年能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的增長(zhǎng)率，半導(dǎo)體級(jí)硅片行業(yè)也會(huì)因此受益，在未來(lái)對(duì)于硅片的需求將穩(wěn)步上升。2014-2018 年全球半導(dǎo)體的資本支出和需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)就是300mm 硅片需求持續(xù)增長(zhǎng)。半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)遵循摩爾定律，不

15、同尺寸硅片市場(chǎng)的消長(zhǎng)和發(fā)展輪換，硅片整體沿大尺寸趨勢(shì)發(fā)展。單晶硅片直徑越大，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。300mm 硅片從 1990 年代末迅速切入市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，迅速成為市場(chǎng)的主流，并且未來(lái)也將占據(jù)主流地位。根據(jù)SEMI 發(fā)布的市場(chǎng)消息，2015 年全球硅片材料市場(chǎng)消耗約100 億平方英寸。其中300mm 占約 70%。與此同時(shí)，200mm 硅片出貨目前還占據(jù)大約20%市場(chǎng)份額。由于MEMS 、功率模擬等產(chǎn)品預(yù)計(jì)將以超越摩爾定律的方式繼續(xù)發(fā)展， 200mm 硅片未來(lái)還將繼續(xù)保持一定的市場(chǎng)份額。目前業(yè)界的主流預(yù)測(cè)是，450mm 硅片有可能在2017 年左右開(kāi)始導(dǎo)入小批量生產(chǎn)

16、，第一批客戶可能只有Intel 一家。之后幾年 450mm 的硅片也將遵循規(guī)律，迎來(lái)一段時(shí)間的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)硅片需求依舊會(huì)保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。300mmFabs 將會(huì)在 2021 年左右達(dá)到高峰，之后市場(chǎng)將迎來(lái)450mmFabs 的補(bǔ)充，300mmFabs 將逐漸減少。總體供給預(yù)計(jì)將不會(huì)減少。全球 300mm 和 450mm Fabs 預(yù)測(cè) 根據(jù) IC Insights 統(tǒng)計(jì)的 2016-2020 年全球晶圓產(chǎn)能報(bào)告顯示，全球營(yíng)運(yùn)中的12寸（300mm）晶圓廠數(shù)量持續(xù)成長(zhǎng)，預(yù)期在2016 年可達(dá)到100 座。 此外， 目前全球有8 座 12 寸晶圓廠預(yù)計(jì)2017 年開(kāi)幕，有可能使該年度成為自20

17、14 年有 9 座晶圓廠開(kāi)始營(yíng)運(yùn)以來(lái)，第二個(gè)有最多數(shù)量晶圓廠投入營(yíng)運(yùn)的年份。到2020 年底，預(yù)期全球?qū)⒂性?2 座的 12 寸晶圓廠營(yíng)運(yùn)，讓全球應(yīng)用于IC 生產(chǎn)的 12 寸晶圓廠總數(shù)達(dá)到117 座。而如果 18 寸（450mm）晶圓邁入量產(chǎn)，12 寸晶圓廠的高峰數(shù)量可達(dá)到125 座左右。12 英寸（ 300mm） 的硅片主要是用來(lái)做邏輯芯片和記憶芯片的，而其余的比如汽車(chē)半導(dǎo)體、指紋識(shí)別芯片、攝像機(jī)CIS 芯片都是采用8 英寸的硅片。而根據(jù)研調(diào)機(jī)構(gòu)IC Insights 最新報(bào)告預(yù)測(cè)，DRAM與 NAND 閃存等，未來(lái)五年年均複合增長(zhǎng)率（CAGR ）可達(dá) 7.3%，產(chǎn)值將從去年的773 億美元擴(kuò)增至1， 099 億美元，增長(zhǎng)達(dá)到42.2%。 因此，全球?qū)τ?00mm 大硅片的需求將持續(xù)擴(kuò)張。全球營(yíng)運(yùn)的12 寸晶圓廠數(shù)量及預(yù)期根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大陸12 寸晶圓廠達(dá)到10 座，若全部投產(chǎn)未來(lái)大陸 12 寸芯片總產(chǎn)能預(yù)計(jì)超過(guò)55 萬(wàn)片/月。而目前國(guó)內(nèi)的12 寸（ 300mm）硅片產(chǎn)量幾乎為零，這是產(chǎn)業(yè)鏈上最為緊缺的一環(huán)。全球12 寸硅片日本生產(chǎn)的最多