半導體制造材料(5)-硅片

硅片又稱硅晶圓片， 是制作集成電路的重要材料，通過對硅片進行光刻、離子注入等手 段，可以制成集成電路和各種半導體器件。硅片是以硅為材料制造的片狀物體，直徑有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸、18英寸等規格。單晶硅是硅的單晶體，是一種比較活潑的非金屬元素，具有基本完整的點陣結構。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度要求達到 99.9999%，甚至達到 99.9999999%，雜質的含量降到 10-9的水平。

半導體硅片是生產集成電路、分立器件、傳感器等半導體產品的關鍵材料，是半導體產業鏈基礎性的一環。目前絕大多數半導體產品仍使用硅基材料制造，在硅片基礎上經過光刻、刻蝕、沉積、拋光及清洗等工序的多次反復進行，并經切割、封測等環節后便形成了具有特定結構和功能的芯片。

全球半導體硅晶圓出貨面積

一、硅片生產過程：

硅片本身的制造工藝來講，首先是要將多晶硅原材料以一定的工藝制備為符合要求的單晶硅錠。單晶硅錠的制備也是影響硅片質量的重要工序，目前主要有直拉法（Czocharlski，CZ）、區熔法（Float Zone, FZ）兩種長晶方式，各有優劣。區熔法雖然制備的硅片具有更高的純度，但由于效率較低、成本較高，因此目前僅應用于部分功率器件，因此直拉法占據了硅片制備的絕大多數比例。而通過直拉法或區熔法生長出符合要求的單晶硅錠后，還需要過再經切割、倒角、激光打碼、研磨、清洗、刻蝕、拋光、外延等加工步驟后，形成單晶硅片，這些加工過程對于硅片的平整度、厚度及其均勻性都有著重要影響。

圖1. 單晶硅錠制備示意圖

圖2. 單晶硅片制備示意圖

二、硅片的分類及應用：

1、根據晶胞排列方式的不同，硅片可分為單晶硅片和多晶硅片。單晶硅是具有固定晶向的結晶體材料，一般用作集成電路的襯底材料和制作太陽能電池片。多晶硅是沒有固定晶向的晶體材料，一般用于光伏發電，或者用于拉制單晶硅的原材料。單晶硅用作半導體材料有極高的純度要求，IC 級別的純度要求達9N 以上（99.9999999%），區熔單晶硅片純度要求在 11N（99.999999999%）以上。 

2、根據尺寸大小的不同，硅片可分為50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）及 300mm（12 英寸）等種類。英寸為硅片的直徑，目前 8英寸和 12 英寸硅片為市場最主流的產品。8 英寸硅片主要應用在 90nm-0.25μm 制程中，多用于傳感、安防領域和電動汽車的功率器件、模擬 IC、指紋識別和顯示驅動等。12英寸硅片主要應用在 90nm 以下的制程中，主要用于邏輯芯片、儲存器和自動駕駛領域。 

3、“大尺寸”為硅片主流趨勢。硅片越大，單個產出的芯片數量越多，制造成本越低，因此硅片廠商不斷向大尺寸硅片進發。1980年 4英寸占主流，1990年發展為 6英寸，2000年開始8英寸被廣泛應用。2008 年后，12 英寸硅片市場份額逐步提升，趕超 8 英寸硅片。2020 年，12 英寸硅片市場份額已提升至 68.1%，為目前半導體硅片市場最主流的產品。后續 18 英寸硅片將成為市場下一階段的目標，但設備研發難度大，生產成本較高，且下游需求量不足，18 英寸硅片尚未成熟。

圖3. 2021 年全球不同尺寸硅片產能占比

4、根據摻雜濃度不同則可以分為輕摻硅片和重摻硅片。硅片在制造過程中需要摻雜元素（通常為硼族或磷族元素）以實現特定的電學特性，通常摻雜濃度越高，則硅拋光片電阻率越低。目前輕摻硅片廣泛應用于存儲、邏輯 IC 等各個領域芯片制造，輕摻拋光片可以直接用于芯片生產，因此通常對晶體原生缺陷要求極高，同時也可以進一步生成外延層后再用于 IC 制造；而重摻硅片主要用于功率、電源管理芯片等領域，且通常需制成外延片后用于芯片制造，由于有外延層存在因此對晶體缺陷要求相對較低。從結構上來說，重摻的應用僅局限于特定領域，占比有限；輕摻則占到了硅片市場的絕大多數比例，尤其在邏輯、存儲等領域都是絕對主流。

5、根據功能的不同，硅片可劃分為正片和控擋片/測試片。其中正片指的是用于正式生產的、最終形成晶圓成品的硅片，具體又包括拋光片和在拋光片基礎上進一步處理形成的外延片、退火片等，各自具有不同的特性和應用；而控擋片/測試片則指的是用于測試、暖機、工藝調整、監測穩定性等用途的硅片，通常其品質要求和價值量相較正片都會更低一些。因此，一般單晶硅棒中間較好的部分會用來制作正片，而兩側品質相對較差的頭尾部分則可用來制作控擋片/測試片。

圖4. 正片和控擋片/測試片

5、根據加工工序的不同，硅片可分為拋光片、外延片、SOI 硅片等。其中拋光片應用范圍最為廣泛，是拋光環節的終產物。拋光片是從單晶硅柱上直接切出厚度約1mm的原硅片，切出后對其進行拋光鏡面加工，去除部分損傷層后得到的表面光潔平整的硅片。拋光片可單獨使用于電動汽車功率器件和儲存芯片中，也可用作其他硅片的襯底，成為其他硅片加工的基礎。外延片是一種將拋光片在外延爐中加熱后，通過氣相沉淀的方式使其表面外延生長符合特定要求的多晶硅的硅片。該技術可有效減少硅片中的單晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，從而提升終端產品的可靠性，常用于制造CMOS 芯片。SOI 片，又名絕緣體上硅片，是一種三明治結構的硅片，其底層是拋光片，中間引入氧化物絕緣埋層（又稱 BOX），頂層是活性層也是拋光片。BOX使硅片實現高電絕緣性，從而減小寄生電容和漏電，實現器件的高耐壓、低功耗、抗輻照、高可靠等性能。頂層的活性層可以摻雜不同金屬元素的硅片從而實現不同的功能。SOI 片多用于5G射頻和物聯網等下游應用，如功率器件、射頻開關、硅光芯片、高端 MEMS 等。

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