半导体制造质料(5)-硅片

硅片又称硅晶圆片， 是制作集成电路的主要质料，通过对硅片举行光刻、离子注入等手 段，可以制成集成电路和种种半导体器件
。硅片是以硅为质料制造的片状物体，直径有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸、18英寸等规格
。单晶硅是硅的单晶体，是一种较量生动的非金属元素，具有基本完整的点阵结构
。差别的偏向具有差别的性子，是一种优异的半导质料
。纯度要求抵达 99.9999%，甚至抵达 99.9999999%，杂质的含量降到 10-9的水平
。

半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的要害质料，是半导体工业链基础性的一环
。现在绝大大都半导体产品仍使用硅基质料制造，在硅片基础上经由光刻、刻蚀、沉积、抛光及洗濯等工序的多次重复举行，并经切割、封测等环节后便形成了具有特定结构和功效的芯片
。

全球半导体硅晶圆出货面积

一、硅片生产历程：

硅片自己的制造工艺来讲，首先是要将多晶硅原质料以一定的工艺制备为切合要求的单晶硅锭
。单晶硅锭的制备也是影响硅片质量的主要工序，现在主要有直拉法（Czocharlski，CZ）、区熔法（Float Zone, FZ）两种长晶方法，各有优劣
。区熔法虽然制备的硅片具有更高的纯度，但由于效率较低、本钱较高，因此现在仅应用于部分功率器件，因此直拉法占有了硅片制备的绝大大都比例
。而通过直拉法或区熔法生长出切合要求的单晶硅锭后，还需要过再经切割、倒角、激光打码、研磨、洗濯、刻蚀、抛光、外延等加工办法后，形成单晶硅片，这些加工历程关于硅片的平整度、厚度及其匀称性都有着主要影响
。

图1. 单晶硅锭制备示意图

图2. 单晶硅片制备示意图

二、硅片的分类及应用：

1、凭证晶胞排列方法的差别，硅片可分为单晶硅片和多晶硅片
。单晶硅是具有牢靠晶向的结晶体质料，一样平常用作集成电路的衬底质料和制作太阳能电池片
。多晶硅是没有牢靠晶向的晶体质料，一样平常用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原质料
。单晶硅用作半导体质料有极高的纯度要求，IC 级别的纯度要求达9N 以上（99.9999999%），区熔单晶硅片纯度要求在 11N（99.999999999%）以上
。 

2、凭证尺寸巨细的差别，硅片可分为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）等种类
。英寸为硅片的直径，现在 8英寸和 12 英寸硅片为市场最主流的产品
。8 英寸硅片主要应用在 90nm-0.25μm 制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟 IC、指纹识别和显示驱动等
。12英寸硅片主要应用在 90nm 以下的制程中，主要用于逻辑芯片、贮存器和自动驾驶领域
。 

3、“大尺寸”为硅片主流趋势
。硅片越大，单个产出的芯片数目越多，制造本钱越低，因此硅片厂商一直向大尺寸硅片进发
。1980年 4英寸占主流，1990年生长为 6英寸，2000年最先8英寸被普遍应用
。2008 年后，12 英寸硅片市场份额逐步提升，赶超 8 英寸硅片
。2020 年，12 英寸硅片市场份额已提升至 68.1%，为现在半导体硅片市场最主流的产品
。后续 18 英寸硅片将成为市场下一阶段的目的，但装备研举事度大，生产本钱较高，且下游需求量缺乏，18 英寸硅片尚未成熟
。

图3. 2021 年全球差别尺寸硅片产能占比

4、凭证掺杂浓度差别则可以分为轻掺硅片和重掺硅片
。硅片在制造历程中需要掺杂元素（通常为硼族或磷族元素）以实现特定的电学特征，通常掺杂浓度越高，则硅抛光片电阻率越低
。现在轻掺硅片普遍应用于存储、逻辑 IC 等各个领域芯片制造，轻掺抛光片可以直接用于芯片生产，因此通常对晶体原生缺陷要求极高，同时也可以进一步天生外延层后再用于 IC 制造
；而重掺硅片主要用于功率、电源治理芯片等领域，且通常需制成外延片后用于芯片制造，由于有外延层保存因此对晶体缺陷要求相对较低
。从结构上来说，重掺的应用仅局限于特定领域，占比有限
；轻掺则占到了硅片市场的绝大大都比例，尤其在逻辑、存储等领域都是绝对主流
。

5、凭证功效的差别，硅片可划分为正片和控挡片/测试片
。其中正片指的是用于正式生产的、最终形成晶圆制品的硅片，详细又包括抛光片和在抛光片基础上进一步处置惩罚形成的外延片、退火片等，各自具有差别的特征和应用
；而控挡片/测试片则指的是用于测试、暖机、工艺调解、监测稳固性等用途的硅片，通常其品质要求和价值量相较正片都会更低一些
。因此，一样平常单晶硅棒中心较好的部分会用来制作正片，而两侧品质相对较差的头尾部分则可用来制作控挡片/测试片
。

图4. 正片和控挡片/测试片

5、凭证加工工序的差别，硅片可分为抛光片、外延片、SOI 硅片等
。其中抛光片应用规模最为普遍，是抛光环节的终产品
。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其举行抛光镜面加工，去除部分损伤层后获得的外貌光洁平整的硅片
。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和贮存芯片中，也可用作其他硅片的衬底，成为其他硅片加工的基础
。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后，通过气相沉淀的方法使其外貌外延生长切合特定要求的多晶硅的硅片
。该手艺可有用镌汰硅片中的单晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，从而提升终端产品的可靠性，常用于制造CMOS 芯片
。SOI 片，又名绝缘体上硅片，是一种三明治结构的硅片，其底层是抛光片，中心引入氧化物绝缘埋层（又称 BOX），顶层是活性层也是抛光片
。BOX使硅片实现高电绝缘性，从而减小寄生电容和泄电，实现器件的高耐压、低功耗、抗辐照、高可靠等性能
。顶层的活性层可以掺杂差别金属元素的硅片从而实现差别的功效
。SOI 片多用于5G射频和物联网等下游应用，如功率器件、射频开关、硅光芯片、高端 MEMS 等
。

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