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半导体制造材料之硅片篇

李亚东 2019-07-10 2370 0

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7月2日,浙江立昂微子公司金瑞泓成功拉制出拥有完全自主知识产权的量产型集成电路用12英寸硅单晶棒,这标志着国内的大硅片产业化布局取得了重要成果,在最关键的拉晶环节取得了重大技术突破,并拥有了12英寸硅片的量产能力。

摘要:7月2日,浙江立昂微子公司金瑞泓成功拉制出拥有完全自主知识产权的量产型集成电路用12英寸硅单晶棒,这标志着国内的大硅片产业化布局取得了重要成果,在最关键的拉晶环节取得了重大技术突破,并拥有了12英寸硅片的量产能力。

硅片又称作硅圆晶片,结晶硅具有分子结构稳定、自由电子少、导电性低等特点,因此被用作芯片制造的基底。可是国产硅片制造技术较之国外仍有很大差距,尤其在大尺寸硅片领域差距明显。

半导体硅片向着大尺寸方向发展

从硅片发展历程来看,硅片尺寸经历了2英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸。硅片的尺寸越大,在单片硅片上制造芯片的数量就越多,单片芯片的分摊成本随之降低,并且硅片边缘的损失会减小,因此发展大尺寸芯片有利于降低成本,但同时对设备和工艺的要求则越高。目前国际上已经实现18英寸硅片的技术突破,我国则在12英寸技术上实现了突破。预计到2020年,12英寸硅片将成为主流。

硅片主要应用在半导体和光伏两大领域,但主要差异体现在硅片类型、纯度以及平整光滑度等热性上。半导体硅片相比于光伏硅片要求更高的纯度以及更严格的表面平整度、光滑度、洁净程度,因此制备门槛远高于光伏级硅片。

表1 光伏与半导体用硅片的差异

光伏与半导体用硅片的差异光伏与半导体用硅片的差异

(资料来源:公开资料整理)

硅片的生产步骤繁多、过程复杂,从硅矿石到硅片成形大致包括了制备多晶硅、铸锭、拉晶、切片、磨片、倒角、刻蚀、抛光、清洗、晶圆检测等多道工序,其中制备多晶硅、铸锭、拉晶、切割是硅片生产的四个核心工艺技术,这四项技术主要通过影响硅片的纯度、杂质含量、密实度、晶粒尺寸及尺寸分布、结晶取向与结构均匀性、硅片的薄厚程度等,进而影响硅片的质量。

表2 半导体硅片制备的核心技术工艺

 半导体硅片制备的核心技术工艺

(资料来源:公开资料整理)

国外垄断大硅片市场,国内实现技术突破

全球硅片市场具有高度垄断性,一半以上的半导体硅材料产能集中在日本,且随着硅片尺寸变大,垄断情况越来越严重。2016年的SUMCO官网数据显示,日本信越半导体、日本三菱住友(sumco)、台湾环球晶圆、德国Siltronic AG、韩国LG Siltron分别占全球市场份额的 27%、26%、17%、13%、9%,前五大半导体硅片厂商合计份额高达 92%。

我国半导体材料整体国产替代率较低,用于晶圆制造的材料国产化率还不足10%。根据前瞻产业研究院援引的中国电子材料行业协会数据,2018年大陆对12英寸硅片的需求高达50万片/月,但2018年国内还没有12英寸硅片的量产产能。虽然近些年我国半导体国产化率有所提升,但大多集中在封装材料、湿化学品等技术壁垒较低的领域,在技术要求更高的硅片制造、掩膜板、光刻胶等材料方面,还有巨大的国产替代空间。

表3 半导体制造材料国产技术水平分布

半导体制造材料国产技术水平分布

(资料来源:公开资料整理)

国内企业中有中环股份、上海硅产业集团、浙江金瑞泓、南京国盛电子、洛阳单晶硅集团等公司在从事硅片生产。其中中环股份是全球领先的光伏单晶硅片生产企业,并开始进军半导体用大硅片产业;上海硅产业集团子公司上海新昇、浙江金瑞泓具备生产12英寸硅片的能力,但形成持续的量产能力还需时日;8英寸硅片国内技术已经相当成熟,如合晶郑州、金瑞泓、重庆超硅、中环内蒙天津等都已经具备量产能力。

结语

随着晶圆厂的不断扩建,未来硅片的供需关系会进一步紧张,国内晶圆厂商有时必须提价才能拿到国外的硅片订单。因此,必须保证硅片材料的自主可供,以避免因过于依赖进口而带来的半导体产业面临材料短缺和产业链断裂的风险。

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