晶圓制造到底有多難？全球15家硅晶圓廠壟斷95%以上市場(chǎng)

　　近年來(lái)，國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)越來(lái)越重視，已經(jīng)將集成電路作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。作為全球最重要的電子制造基地，中國(guó)的電子應(yīng)用市場(chǎng)巨大，有著廣闊的前景。盡管如此，我們?nèi)圆荒苓^(guò)于驕傲，畢竟還有很多的技術(shù)等待著去突破，除了芯片相關(guān)技術(shù)，晶圓的制造也是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。

　　電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，越往上游企業(yè)相對(duì)越少，技術(shù)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(jí)”的尖端技術(shù)，難度系數(shù)均是最高的一級(jí)，晶圓制造是比造芯片還要難的一門(mén)技術(shù)。如果把芯片比作宇宙飛船，那么晶圓就是航空母艦了，沒(méi)幾家能造得出來(lái)。

　　據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，全球能制造高純度電子級(jí)硅的企業(yè)不足100家，其中主要的15家硅晶圓廠壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上，沒(méi)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(xù)漲價(jià)，市場(chǎng)呈現(xiàn)一種繁榮景氣的形勢(shì)。

　　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(zhǎng)、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(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。

　　2、單晶硅生長(zhǎng)

　　(用直拉法制造晶圓的流程圖，由OFweek電子工程網(wǎng)制作)

　　晶圓企業(yè)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(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。

　　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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

　　熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。用直拉法生長(zhǎng)后，單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)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(tài)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(jīng)過(guò)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(fù)雜，其難度在于半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)晶圓的純度要求很高，純度需要達(dá)到99.999999999%或以上。

　　以硅晶片為例，硅從石英砂里提煉出來(lái)，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只能得到純度約為98%的純硅，這對(duì)于微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此需要進(jìn)一步提純。

　　而在進(jìn)行硅的進(jìn)一步提純工藝中，光刻技術(shù)的難度很高，在晶圓制造工藝中，光刻是必須經(jīng)歷的一個(gè)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(zhuǎn)移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過(guò)程。

　　1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經(jīng)流程

　　由于晶圓生產(chǎn)工藝中，其表面會(huì)形成薄膜，這需要光刻技術(shù)將它去掉。在晶圓制造過(guò)程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成，這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分，通過(guò)光刻工藝過(guò)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(guān)鍵尺寸，光刻過(guò)程中的錯(cuò)誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好，最終可轉(zhuǎn)化為對(duì)器件的電特性產(chǎn)生影響。

　　3、高端光刻機(jī)產(chǎn)能?chē)?yán)重不足

　　光刻機(jī)也叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機(jī)市場(chǎng)，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機(jī)的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機(jī)的不足五家，在高端光刻機(jī)市場(chǎng)，中國(guó)企業(yè)幾乎全軍覆沒(méi)。

　　15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷95%以上市場(chǎng)

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

　　以信越半導(dǎo)體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng)、LG等為代表的晶圓企業(yè)幾乎供應(yīng)了全球八成的半導(dǎo)體企業(yè)，而且長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠臺(tái)灣環(huán)球晶圓為例，其晶圓訂單到2020年方可消化完全。

　　由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等原因，臺(tái)灣和日本的晶圓企業(yè)占據(jù)了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上，它們的優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。

　　中國(guó)這幾年對(duì)晶圓生產(chǎn)的重視，誕生了許多晶圓企業(yè)，逐步形成了長(zhǎng)三角、中西部為核心、輻射周邊的局面，目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的實(shí)力。據(jù)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(guò)認(rèn)證，預(yù)計(jì)年底能達(dá)到每個(gè)月10萬(wàn)片的產(chǎn)能。

　　綜述：隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，晶圓市場(chǎng)會(huì)更加緊俏，尤其是大尺寸、高純度的晶圓，巨大的市場(chǎng)前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動(dòng)。未來(lái)，晶圓制造工藝會(huì)越來(lái)越透明化，對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言，通過(guò)學(xué)習(xí)“前輩們”的經(jīng)驗(yàn)，將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決，挑戰(zhàn)巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場(chǎng)不應(yīng)該只是這幾家的天下。