全面解讀集成電路產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)技術(shù)

　　(2)模擬IC和邏輯IC

　　模擬IC是處理連續(xù)性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號(hào)，模擬IC按技術(shù)類型來(lái)分有只處理模擬信號(hào)的線性IC和同時(shí)處理模擬與數(shù)字信號(hào)的混合IC。模擬IC按應(yīng)用來(lái)分可分為標(biāo)準(zhǔn)型模擬IC和特殊應(yīng)用型模擬IC。標(biāo)準(zhǔn)型模擬IC包括放大器、信號(hào)界面、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、比較器等產(chǎn)品。特殊應(yīng)用型模擬IC主要應(yīng)用在4個(gè)領(lǐng)域，分別是通信、汽車、電腦周邊和消費(fèi)類電子。

　　2014年前十大模擬IC廠商銷售額(單位：百萬(wàn)美元)

　　邏輯IC可分為標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC及特殊應(yīng)用IC(ASIC)，標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC提供基本邏輯運(yùn)算，并大量制造，而ASIC是為單一客戶及特殊應(yīng)用而量身定做的IC，具有定制化、差異化及少量多樣的特性，主要應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)變動(dòng)快、產(chǎn)品差異化高及整合度需求大的市場(chǎng)。

　　(3)微元件IC

　　微元件IC包括微處理器(MPU)、微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及微周邊設(shè)備(MPR)。MPU是微元件IC中的最重要的產(chǎn)品，主要用于個(gè)人電腦、工作站和服務(wù)器，CPU是其中的一種，目前以Intel公司為MPU產(chǎn)業(yè)龍頭。MCU又稱為單片微型計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)，是把中央處理器的頻率與規(guī)格適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見(jiàn)到MCU的身影。

　　DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片， 近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數(shù)字信號(hào)處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。MPR則是支持MPU及MCU的周邊邏輯電路元件。

　　(二)制造部分

　　集成電路制造過(guò)程可分為晶圓制造和晶圓加工兩部分。前者指運(yùn)用二氧化硅原料逐步制得單晶硅晶圓的過(guò)程;后者則指在制備的晶圓材料上構(gòu)建完整的集成電路芯片。

　　(1)晶圓制造

　　由于芯片極高的電路集成度，其電路對(duì)于半導(dǎo)體基質(zhì)(晶圓)的材料純度要求亦十分嚴(yán)苛。由各種元素混雜的硅石到硅純度達(dá) 99.9999999%(稱為 9N)的硅單晶晶圓，晶圓的制造流程，因此可以被認(rèn)為是硅材料不斷提純的過(guò)程：

　　1)“冶金級(jí)硅”制備：從二氧化硅到“金屬硅”

　　由硅石等富含二氧化硅(SiO2)的礦物資源通過(guò)提純得到高純度二氧化硅。充足的高純度二氧化硅原料與富含碳原子(C)的煤炭、木炭等反應(yīng)物被臵于電爐中，在1900℃的高溫下，二氧化硅與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)：SiO2+2C→Si+2CO，初步制得硅(Si)材料。

　　從二氧化硅到“金屬硅

　　由于此過(guò)程類似通過(guò)氧化還原反應(yīng)冶煉鐵、銅等金屬的冶金過(guò)程，故此過(guò)程制備的硅材料被稱為“冶金級(jí)硅”，又稱“金屬硅”?！案呒儭苯饘俟璨牧系墓韬靠蛇_(dá) 98%，但這仍不能達(dá)到制成集成電路芯片的純度要求。

　　2)西門(mén)子制程：從金屬硅到多晶硅

　　冶金級(jí)硅的產(chǎn)量占全球硅元素產(chǎn)品產(chǎn)量的20%，該產(chǎn)品被大量運(yùn)用于鋁硅合金鑄造業(yè)與化工產(chǎn)業(yè)。其中，僅有 5~10%的冶金級(jí)硅被用于再次提純，進(jìn)而制成高純度“電子級(jí)硅”(電子級(jí)硅產(chǎn)量不到全球硅產(chǎn)品產(chǎn)量的 1~2%)。

　　為進(jìn)一步提純硅材料，產(chǎn)業(yè)多先轉(zhuǎn)化冶金級(jí)硅材料為含硅元素的揮發(fā)性液體，如三氯硅烷(HSiCl3)、四氯化硅(SiCl4)，或直接轉(zhuǎn)化為氣體硅烷(SiH4)。之后，在密閉反應(yīng)室中臵入表面溫度達(dá) 1150℃的高純硅芯，通入三氯硅烷氣體。通過(guò)化學(xué)分解作用，高純度硅材料得以直接“生長(zhǎng)”于硅芯表面，由此提高硅材料純度。

　　從“ 金屬硅” 到多晶硅

　　該制程被稱為化學(xué)氣相沉積法(CVD)，用以制備高純多晶硅。該技術(shù)于1954 年德國(guó)西門(mén)子公司申請(qǐng)專利，故又稱“西門(mén)子制程”。此后的改良西門(mén)子法大大降低了制造能耗，并可使制備的多晶硅材料純度達(dá)到 99.9999%(6N)。

　　其他制程，如流化床反應(yīng)器技術(shù)(FBR)、升級(jí)冶金硅技術(shù)(UMG-Si)等，亦被應(yīng)用于高純多晶硅生產(chǎn)，但改良西門(mén)子法仍占據(jù)產(chǎn)量的多數(shù)(達(dá)總產(chǎn)量的88%)。

　　3)柴可拉斯基制程(“拉晶工藝”)：從多晶硅到單晶硅

　　6N 純度的多晶硅材料仍不能應(yīng)用于微電子領(lǐng)域。并且電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅的導(dǎo)電性以無(wú)法達(dá)到芯片級(jí)技術(shù)要求。為有效控制半導(dǎo)體材料的量子力學(xué)特性，硅材料的純度仍需進(jìn)一步提高。通過(guò)反復(fù)提純的過(guò)程，最終用于集成電路生產(chǎn)的硅材料純度需達(dá)到99.9999999%( 9N)水平。

　　由高純多晶硅提純高純單晶硅，主流的制備工藝為“柴可拉斯基制程”：柴可拉斯基制程指制備半導(dǎo)體(如硅、鍺、砷化鎵)、金屬、鹽類、合成寶石等的單晶的晶體生長(zhǎng)過(guò)程。

　　從多晶硅到電子級(jí)硅

　　上一步驟制備的高純多晶硅，在1425℃的高溫下熔融于坩堝容器中?？杉尤霌诫s劑原子如硼(B)、磷(P)原子對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜，以制成具有不同電子特性的 p 型或 n型半導(dǎo)體。將轉(zhuǎn)動(dòng)的高純單晶硅晶棒沒(méi)入熔融的多晶硅中，緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)并同時(shí)向上拉出晶棒。同時(shí)，盛放熔融物的坩堝以晶棒轉(zhuǎn)動(dòng)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)精確控制溫度變化、拉晶速率、旋轉(zhuǎn)速度，得以從熔融物中提取出標(biāo)準(zhǔn)化的大型圓柱體單晶晶柱，晶柱可高達(dá)兩米，重約數(shù)百千克。

　　硅晶柱直徑?jīng)Q定了切割出晶圓的直徑，更大的晶圓意味著單塊晶圓上得以印刻更多的集成電路晶片，生產(chǎn)效率可以得到極大提升。現(xiàn)階段，晶圓制造廠主要生產(chǎn)直徑為200mm和300mm的晶圓。到2018年，450mm直徑的晶圓預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。另外，為保證單晶硅材料純度，晶柱生長(zhǎng)的過(guò)程通常于惰性氣體(如氬氣Ar)環(huán)境下在惰性反應(yīng)容器(如石英坩堝)中進(jìn)行。

　　在國(guó)內(nèi)，此工藝常被形象地稱為制備高純單晶硅的“拉晶工藝”，此法制備的高純單晶硅硅錠純度可達(dá)99.9999999%(9N)，具有優(yōu)良的半導(dǎo)體量子力學(xué)特性，可以被用于集成電路制造領(lǐng)域——該材料因此被稱為“電子級(jí)硅”。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中懸浮區(qū)熔法等技術(shù)也被用于多晶硅至單晶硅的提純過(guò)程。其缺點(diǎn)是制備的晶柱直徑往往小于拉晶法的制成直徑。

　　4)最后一步：從晶柱到晶圓

　　制備了高純單晶硅晶柱后，需經(jīng)過(guò)：1晶柱裁切與檢測(cè)、2外徑研磨、3切片、4圓邊、5研磨、6蝕刻、7去疵、8拋光、9清洗、10檢驗(yàn)、11包裝等等十一個(gè)步驟進(jìn)行處理。

　　從晶柱到晶圓

　　最終制成可供晶圓加工廠家使用的合格半導(dǎo)體晶圓。極度平滑的硅晶圓厚度一般在0.2-0.75mm之間，直接作為制造集成電路芯片的材料，由晶圓代工廠進(jìn)行晶圓加工階段的處理。