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【行业】国产半导体硅片行业跟踪（上）制造工艺篇-胡啰啰一下
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一、硅片制作流程

（一）单晶棒生长

1、直拉法CZ
（1）基本原理：在熔化的硅溶液中插入有一定晶向的籽晶白描荷花，通过引细晶消除原生位错，利用结晶前沿的过冷度驱动硅院子按顺序排列在固液截面的硅固体上形成单晶。

（2）拉晶流程：


籽晶：

晶径生长：硅料融化完后将加热功率降至引晶位置，坩埚也置于引晶位置，稳定之后将晶种降至与熔硅接触并充分熔接后拉制细颈。引晶的主要作用是消除位错，全自动单晶炉采用自动引晶，特殊情况需要手动引晶，要求细晶长度大于150mm,直径4mm左右，拉速2—5mm/min。
放肩：晶径生长完成后降低温度和拉素白晓菁，使晶体直径渐渐增大到所需大种太阳简谱小，一般采用平放肩（150度左右）
等径生长：晶体放肩到接近所需直径（与所需直径差10mm左右）后，升温升拉速进行转肩生长。转肩完后调整拉速和温度，使晶体直径偏差维持在正负2mm单位内等径生长。热场的配置、拉晶速率、晶体和坩埚的转速、气体流量及方向等，对晶体的品质都有影响。这部分生长一般都子啊自动控制状态下进行，要维持无位错生长到底就必须设定一个合理的控温曲线（实际上是功率控制曲线）。
收尾：晶体等径生长完毕后必须将晶体直径慢慢缩小，而不能立刻将晶体与熔液分离，防止由于热应力产生位错拍和滑移线。应当知道接近一尖点才与液面分离。
（3）单晶炉结构：
炉体、晶体及坩埚的升降、传动部分、电气控制部分和气体控制部分、热场的配置。

2、区熔法FZ
不使用石英坩埚，氧含量高于和金属杂质远小于直拉，因此主要用于只做高反压元件撒谎功能，如可控硅、整流器等，其区熔高阻硅单晶用于制作探测器件西点揭秘。

区熔是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分乐拍网，因为在熔融的晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间，晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。

（二）整形
去掉两端、径向研磨、定位边研磨。

定位边or定位槽：标明晶体结构和硅片晶向。


（三）切片
300mm以上利用线锯来切片，用浆料覆盖的线比内圆切割机中的金刚石覆盖的锯刃，有更少的切口损失。

（四）磨片和倒角
切片完成后第一次进行双面机械研磨，达到硅片两面高度平行及平坦。硅片边缘抛光修整又称倒角，使得硅片边缘获得平滑的半径周线，避免硅片边缘的裂隙在硅片上产生机械应力而产生位错，尤其是在硅片制备的高温环境中。

（五）刻蚀
湿化学刻蚀去掉上述步骤中的表面损伤和玷污杂质，通常会刻蚀掉硅片表面约20微米的硅，以保证所有损伤都被刻蚀掉。
（六）抛光
化学机械平坦化（CMP，Chemical Mechanical Planarization），目的是高度平整光滑表面。硅片在抛光盘之间行星式的运动轨迹在改善表面粗糙度的同时也使得硅片表面平坦且两面平行。

（七）清洗、硅片评估、包装
（八）质量测量

1、物理尺寸：
直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边（或定位槽）、硅片形变。

2、平整度
最主要的参数之一，因为光刻工艺对局部位置的平整度十分敏感。平整度是指通过硅片的直线上的厚度变化，它是通过硅片上表面和一个规定的参考面距离得到。平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平整度，也可以规定为整体平整度，它是硅片表面固定质量面积（FQA）上整个硅面的平整度，固定质量面积不包括硅片表面周边的无用区域迈克吴。
3、微粗糙度
实际表面同规定平面的小数值范围的偏差，它有许多小的、距离很近的峰和谷，是硅片表面纹理的标志，测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，单位是纳米。
4、氧含量
少量的氧能够起到俘获中心的作用，能束缚硅中的玷污物，而过量的氧会影响硅的机械和电学特性。例如氧会导致pn结漏电流的增加，也会增大MOS器件的漏电流。硅片中的氧通过横截面来检测，对硅晶体结构进行成分分析。代表性硅放入环氧材料罐，研磨、抛平使其露出固体硅结构颗粒，用化学腐蚀剂使得要是别的特定元素发亮或发暗，用特殊显微镜如透射电镜（TEM）来描述晶体结构。硅片氧含量控制在24—33ppm。
5、晶体缺陷
要求每平方厘米缺陷少于1000个。缺陷分为点缺陷（原子层面局部缺陷）、位错（错位的晶胞）、层错（晶体结构缺陷）。
6、颗粒
200mm洁净度范围是表面每平方厘米少于0.13个颗粒，测量到的颗粒尺寸要大于等于0.08微米。
7、体电阻率
依赖于晶体生长前掺杂到硅熔体中的杂质浓度，加入的三族或五族杂质会通过提高载流子迁移率来减少电阻率。在整个硅片中均匀的电阻率非常重要，但在实际生长中，沿半径方向存在温度梯度，使得硅碇中心位置达到最大值，由内向外逐渐减小，径向温度梯度使得硅碇沿半径方向的掺杂浓度不同。在硅碇两端去除后，检查硅碇两端的电阻率和均匀性。电阻率用四探针方法测量。
（九）外延层制备
在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构（单晶）的硅表面冥界傲君，还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在硅表面淀积一个外延层来达到。在硅外延中，硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶，外延层也是单晶。且外延层可以是n型也可以是p型，这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。例如，在p型硅片上外延一层电学活性杂质浓度比衬底还要低的p型硅也是可以的。硅外延的发展是为了提高双极器件和集成电路的性能。外延可以在重掺的衬底上生产轻掺的外延，这在优化pn结的击穿电压的同时降低了集电极电阻，在适中的电流强度下提高了期间速度。微晶石厂家外延在CMOS集成电路中变的重要起来，因为随着器件尺寸的不断缩小，它将闩锁效应降到最低。外延层通常是没有玷污的（比如没有有氧颗粒，他不是真正的CZ法生长的硅）。外延层厚度可以不同，用于高速数字电路的典型厚度是0.5—5微米，用于功率器件的厚度是50—100微米。
三、硅片分类
1.按尺寸分：50mm、100mm 、125mm、150mm、200mm、300mm、450mm


300mm硅棒大约1m长，并需要在坩埚中融化150kg—300kg的半导体级硅。
硅片直径的增加可以摊薄生产成本。林正宏300mm硅片比200mm硅片面积提升2.25倍，一个硅片上可以生产更多硅片，每个芯片平均加工时间减少，设备利用率提升；而且更大尺寸的硅片使得边缘芯片减少，提升成品率。


2.按拉晶工艺分：
CZ直拉法，占85%，一般用于CMOS、Memory等大部分工艺器件
FZ区熔法，一般用于RF、IGBT等
按使用用途分：
抛光片Polish Wafer
外延片Epitaxial Wafer:外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底晶片通常被称为外延片。通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶，与最下面的衬底结晶面整齐排列进行生长。外延硅晶片广泛使用在二极管，IGBT功率器件,低功耗数字与模拟集成电路及移动计算通讯芯片等。
退火片Argon Anneal:抛光片用氢气或氩气通过加热处理后，更进一步提高表面的结晶品质。广泛用在功率器件,数字与模拟集成电路及存储器等芯片。
绝缘体上硅(SOI)Silicon-On-Insulator Wafer:是一种三明治结构，最上面是顶层硅，中间是掩埋氧化层（BOX），下方是硅衬底。 制备 SOI 材料的技术主要有注氧隔离（SIMOX）、键合减薄（BESOI）和智能剥离（Smart-Cut）等，当前最主流的技术是智能剥离。SOI 的优势在于可以通过氧化层实现高电绝缘性， 这将大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。在 28nm 以下先进制程中， FD-SOI（全耗尽 SOI） 具有明显的低功耗，防辐射，耐高温的性能优势，同时采用 SOI 方案可以大大减少工序，降低成本。
测试片Test Wafer： mechnical wafer、particle wafer、control wafer、super flat wafer、special wafer （如oxide/nitride wafer）等。主要用于实验及检查等用途锦鲤吸水。在制造设备投入使用初期，也被大量使用以提高设备稳定性。由于使用目的不同于通常使用的晶圆片产品，因此Test Wafer中再生晶片被普遍使用。
控片Monitor Wafer:主要用于在正式的集成电路制造之前对于各道制程实施必要的调整。除此之外也可用于监测，与晶圆产品一同在各工程流动。
挡片Dummy Wafer:又称假片，调试级硅片主要用于半导体设备和工艺调试，达到一定的工艺要求。
其中挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差处所切割出来，用于调试机台、监控良率。 随着晶圆厂制程的推进，基于精度要求及良率的考量，需要在生产过程中增加监控频率。65nm制程每投10片正片老师不是人，需要加6片挡控片，而28nm及以下制程，每10片正片需要加15-20片挡控片。挡控片的用量巨大，为了避免浪费，晶圆厂往往会回收用过的挡片，经研磨抛光五七工，重复使用，但挡片的循环次数有限，一旦超过门限值朱棣文小学，则只能报废处理或当做光伏硅片使用。而控片则需具体情况具体对待，用在某些特殊制程的控片无法回收使用，那些可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片（reclaimedwafer）。
四、硅片厂投资、设备安排及生产进度
1、投资
参考郑州合晶一期“年产240万片200mm硅单晶抛光片生产项目”的基本情况发现： ①8英寸万片月产能对应投资6000万元；② 项目采取4班3运转，每班8小时制，年工作时间8000小时，基本上全年24小时开工。这是一个半导体硅片厂的基本画像。

有研新材（彼时为有研硅股） 在2012年启动定增募资投建“年产120万片8英寸硅片项目”时，公告了该项目的可行性研究报告。其中重要信息摘要如下表。 我们可以发现： ①年产120万片对应总投资59586万元汤院温泉，对应每万片8英寸月产能投资额为5959万元， 与前述有研项目基本一致； ② 年产120万片对应工艺设备投资额29293万元，对应每万片8英寸月产能工艺设备投资额为2929万元。

2、设备安排
从下图设备清单我们可以得出以下发现： ① 各类设备对应硅片产能，比如年产240万片的项目采购长晶炉24台，相当于台均年产能10万片肖玉璧，对应月产能8300多片； ②各类设备间数量比例，比如抛光机与长晶炉数量相等，但分段机等设备数量相对较少； ③ 结合各类设备对应价格， 对应厂商可对特定项目采购金额空间进行测算。

（参考《方正证券 半导体设备系列深度报告之二：2020年前国内半导体硅片设备市场空间270亿》）
3、生产进度
设备调试：工艺都打通的情况下，从设备进场到生产出抛光片大概需要小半年。如果不顺利的话，可能1-2年都出不来，因为涉及到设备、工艺等诸多问题。关于下游厂家的认证大概需要3个月左右。
拉晶：根据单晶类型不同，效率不同。8寸硅片大概是每小时长30-35毫米，因此拉一米的单晶至少要40小时；除了有效长度外，两头也会占用较长时间。
切片：一般而言，现在8英寸的硅片，标准厚度725微米，平均830微米，切片约1mm/片，1米可以切1000片。出片率：根据晶片厚度决定孙云玲 。8寸的出片率大概1200片，需要烧35h。12寸出片率大概 800片，需要烧45h—50h。
抛光：抛光上需要经历粗抛、中抛、精抛三个过程周璟馨。粗抛的目的是快速去厚度，达到目标厚度；中抛是用来修复平整度；精抛是用来改善表面粗糙度。单片式抛光机效率低于批量式抛光机，一组不到2万片，一片片出；批量式抛光机一组能做5万片，一批20片。
本文参考资料来源：东吴机械、招商电子、中泰机械、方正机械、广发机械、海通电子、申万宏源电新、招商电新、华创机械、CitiResearch 、SUMCO以及《碳碳复合材料在CZ单晶炉热场中的应用》、《大尺寸单晶炉勾形磁场的优化设计》、《一种新型的超导磁场单晶炉的研制》、《单晶硅制备-直拉法》、《半导体制造工艺》、百度等
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