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干貨 | 硅片制造技術過程、成本及難點-蘇州愛特維模組半導體封裝等離子清洗設備

發布日期:2021-03-26 15:33 來源:http://www.historianr.com 點擊:

干貨 | 硅片制造技術過程、成本及難點-蘇州愛特維模組半導體封裝等離子清洗設備

硅片制造技術過程


硅片的原材料是石英,也就是通常說的沙子,可以直接在自然界開采。晶圓制造的過程可以通過幾步來完成。脫氧提純,提煉多晶硅,單晶硅錠(硅棒),滾磨,晶片切割,晶圓拋光,退火,測試,包裝等等步驟。
脫氧提純:硅片制造廠的原料是石英礦石,石英礦石的主要原料是二氧化硅(SiO2)。首先將石英礦石進行脫氧提純,主要工藝有分選,磁選,浮選,高溫脫氣等等。主要將礦石中的主要雜質去除掉,比如鐵、鋁等雜質。


提煉多晶硅:在得到相對較純的SiO2后,經過化學反應,生成單晶硅。主要反應為SiO2+CàSi+CO,一氧化碳(CO)為氣體,反應完成后直接揮發掉。所以只剩下硅晶體。此時的硅為多晶體硅,并且為粗硅,存在一些雜質比如鐵,鋁,碳,硼,磷,銅等等元素。為了過濾掉多余雜質,必須將得到的粗硅進行酸洗,常用的酸是鹽酸(HCl),硫酸(H2SO4)等等,用酸浸泡后的硅含量一般在99.7%以上。在酸洗的過程中,雖然將鐵,鋁等等元素也溶于酸且過濾掉。但是硅也和酸反應生成SiHCl3(三氯氫硅)或SiCl4(四氯化硅)。但是這兩種物質都是氣態,所以酸洗過后,原來的鐵、鋁等雜質已經溶于酸,但是硅已經變為氣態。zui后將高純的氣態SiHCl3或者SiCl4用氫氣還原得到高純多晶硅,SiHCl3+H2àSi+3HCl,SICl4+2H2àSi+4HCl。此時得到生產用的多晶硅。
 

CZ(直拉法)


直拉法(CZ)法硅片主要用在邏輯,存儲器芯片中,市場占比約為95%;直拉法早期起源于1918年Czochralski從熔融金屬中拉制細燈絲,所以又叫CZ法。這是當今生長單晶硅的主流技術。主要流程是在坩堝中放入多晶硅,加熱使之熔融,然后夾住一塊單晶硅的籽晶,將它懸浮在坩堝之上,直拉時,一端插入熔體直到融化,然后再緩慢旋轉并向上提拉。這樣在液體與固體的界面就會經過逐漸冷凝形成單晶。由于整個過程可以看作是復制籽晶的過程,所以生成的硅晶體是單晶硅。另外,晶圓的摻雜也是在拉單晶的過程中進行的,通常有液相摻雜和氣相摻雜兩種。液相摻雜就是指在坩堝中參雜P型或者N型元素,在拉單晶的過程中,可以直接將這些元素拉到硅棒中。
直徑滾磨:由于在拉單晶的過程中,對于單晶硅棒的直徑控制較難,所以為了得到標準直徑的硅棒,比如6寸,8寸,12寸等等。在拉單晶后會將硅錠直徑滾磨,滾磨后的硅棒表面光滑,并且在尺寸誤差上更小。


切割倒角:在得到硅錠之后,就進行晶圓切割,將硅錠放置在固定切割機上,按照已經設定好的切割程式進行切割。由于硅片的厚度較小,所以切割后的硅片邊緣非常鋒利。倒角的目的就是形成光滑的邊緣。倒角后的硅片有較低的中心應力,因而使之更牢固,并且在以后的芯片制造中不容易碎片。


拋光:拋光的主要目的是將晶圓的表面變得更加平滑,平整無損傷,并且保證每片晶圓的厚度一致性。


測試包裝:在得到拋光好的硅片后,需要對硅片的電學特性進行測試,比如電阻率等等參數。大部分硅片廠都有外延片服務,如果需要外延片,再進行外延片生長。如果不需要外延片就會打包包裝,運往其他外延片廠或者晶圓廠。

 FZ(區熔法)


區熔法(FZ)硅片主要用在部分功率芯片中,市場占比約為4%;用FZ(區熔法)制作的硅片主要用作功率器件。并且硅片尺寸以8英寸,6英寸為主,目前約有15%的硅片使用區熔法制作。與CZ法制作的硅片相比,FZ方法較大的特點就是電阻率相對較高,純度更高,能夠耐高壓,但是制作大尺寸晶圓較難,而且機械性質較差,所以常常用于功率器件硅片,在集成電路中使用較少。


區熔法制作單晶硅棒總共分為三步:加熱多晶硅,籽晶接觸,向下旋轉拉單晶。在真空或者惰性氣體環境下的爐室中,利用電場給多晶硅棒加熱,直到被加熱區域的多晶硅融化,形成熔融區。然后用籽晶接觸熔融區,并融化。zui后通過移動電場加熱位置,使多晶硅上的熔融區不斷上移,同時籽晶緩慢旋轉并向下拉伸,逐漸形成單晶硅棒。因為在區熔法中不適用坩堝,所以避免了很多污染源,用區熔法拉的單晶具有純度高的特點。

硅片制造成本分析


新能源硅片制造成本 


光伏硅片成本大概可以分為硅料成本,長晶成本和切割成本。其中硅料成本是主要的成本消耗部分,約占總成本的50%。由于單晶硅和多晶硅對于長晶過程的要求不同,所以在長晶過程是單晶硅片和多晶硅片的主要成本差別。在切片環節,硅片制造商可以提高硅片的切割出片量來分攤成本。在長晶過程中的設備、電費、特氣以及人工費用等等。


單晶硅制造成本:在硅成本和切片方面,單晶硅和多晶硅的差別不是很大。長晶環節是主要的成本差異。從單晶硅片的成本結構來看,硅料成本約占50%,拉單晶硅棒的成本約占整個成本的33%,切割成本約占17%。在拉單晶過程中的成本結構中,以坩堝費用和電費為主要成本來源,兩者總共占比約為45%。剩余成本由石墨熱場和折舊費用為主。在坩堝成本方面,拉單晶的石英坩堝在經過高溫、冷卻等等步驟之后,會產生裂紋或者破裂,導致無法再次使用。并且,由于拉單晶對于坩堝的潔凈度要求很高,所以使用過的坩堝無法保證潔凈度,同時單晶硅對于坩堝的品質要求較高。所以拉單晶的坩堝價格較高,且無法重復使用。在電力成本方面,國內半導體硅片廠商或者光伏硅片廠商都在內蒙古,云南,貴州等電力成本相對較低的區域建廠,有利于成本降低。單晶硅片的成本降低主要來源于三個方面。DI一,提高單爐產出攤薄坩堝等一次性耗材和設備折舊。第二,電力成本降低。第三,批量采購硅料的價格優勢。
多晶硅制造成本:多晶硅的生產制造過程中不需要拉單晶環節,所以長晶環節的成本占比較低。長晶成本只占總成本的12%。成本的主要來源是硅料成本,約占總成本的52%。其次是切割成本,約占總成本的29%。在多晶硅長晶成本中,石墨熱場占比較高,達到28%。其次是坩堝、折舊和電力成本,分別占比為16.7%、16.7%和13.9%。由于多晶硅硅片主要用在光伏產品中,而且有逐漸被單晶硅片代替的趨勢,所以多晶硅片的成本下降空間不大。

半導體硅片制造成本


半導體硅片成本構成更復雜:半導體硅片在純度和電學特性方面較新能源硅片有更高要求,所以在制造過程中需要更多的純化步驟和供應原料,造成制造原料的種類更加多樣化。所以硅料成本占比相對減少,但是制造費用占比會相對增加。同時,相對于新能源硅片成本,半導體硅片在


直接材料是主要營業成本構成:對于半導體硅片來說,原材料成本是主要成本,約占主營業務成本的47%。其次是制造費用,約占38.6%,與半導體制造業類似,硅片行業屬于資本密集型行業,對固定資產投資需求較高,會因機器設備等固定資產折舊產生較高的制造費用。zui后是直接人工費用,占比約為14.4%。


多晶硅是原材料主要成本構成:在硅片制造的原材料成本中,多晶硅是主要原材料,占比約為30.7%。其次是包裝材料,占比約為17.0%。由于半導體硅片對于潔凈度和真空要求較高,特別是對于硅片這種極易氧化的物質,對包裝的要求會比新能源硅片要求要高很多。因此在成本構成中,包裝材料占比較高。石英坩堝占比約為原材料成本的8.7%。半導體硅片制造所用的石英坩堝也是一次性坩堝,但是對于坩堝的物理特性,熱學特性等等要求更高。拋光液,研磨輪,拋光墊總共占比13.8%,主要用在硅片拋光過程中。

硅片制造主要壁壘


硅片的壁壘較高,特別是對于半導體硅片而言,主要壁壘有四個:技術壁壘,認證壁壘,設備壁壘和資金壁壘。

技術壁壘:硅片的技術指標比較大,除去常見的尺寸大小,拋光片厚度等等外,還有硅片的翹曲度,電阻率,彎曲度等等。在主流的300mm硅片方面,由于先進制程對于硅片的均勻性要求較高,所以相對于200mm晶圓,增加了平整度,翹曲度,彎曲度,表面金屬殘余量等等參數來監測300mm硅片的質量要求。在純度方面,先進制程的硅片要求在9N(99.9999999%)-11N(99.999999999%)左右,是硅片供應商的主要技術壁壘。


硅片是高度定制產品;純度是硅片的較基本參數,也是主要技術壁壘。除此之外,硅片不是通用型產品,無法復制。大硅片在各個晶圓代工廠的規格完全不同,各個終端產品的用途不同也會導致硅片的要求規格完全不同。這就要求硅片廠商要根據不同的終端客戶產品來設計和制造不同的硅片,這就更大增加了硅片供應難度。
認證壁壘:芯片制造企業對于各類原材料的質量有著嚴苛的要求,對供應商的選擇也非常謹慎。進入芯片制造企業的供應商名單具有較高的壁壘。通常,芯片制造企業會要求硅片供應商提供一些硅片進行試生產,并且大多數用在測試片,而不是晶圓量產片。通過測試片后,會小批量試生產量產片,待通過內部認證后,芯片制造企業會將產品送至下游客戶處,獲得其客戶認證后,才會對硅片供應商進行zui終認證,zui后簽訂采購合同。半導體硅片企業的產品進入芯片制造企業的供應鏈需要經歷較長的時間,對于新供應商的認證周期較短也需要12-18個月。


此外,測試片到量產片的認證壁壘:目前國內的12寸晶圓大多停留在測試片的供應上,但是測試片的認證程序和量產片的認證程序完全不同,量產硅片的認證標準更加嚴格。測試硅片由于不制造芯片,所以只需要晶圓代工廠自己認證,并且只需要在當前制造站點得到認證就可以。但是對于量產硅片來說,必須得到終端fabless客戶的認證,并且要得到整個制造流程各個步驟的監測才可以批量供應。一般情況下,為了保持硅片供應和芯片良率的穩定。晶圓制造商與硅片供應商一旦建立供應關系后,不會輕易更換供應商,且雙方建立反饋機制,滿足個性化需求,硅片供應商與客戶的粘性不斷增加。新硅片廠商如果加入到供應商行列,必須提供比原有供應商更加緊密的合作關系和更高的硅片質量。所以在硅片行業,硅片供應商和晶圓制造商的粘性較大,新晉供應商打破粘性的難度較大


設備壁壘:制造硅片的核心設備是單晶爐,可謂是硅片中的“光刻機”。國際主流硅片廠商的單晶爐都是自己制造。比如信越和SUMCO的單晶爐是公司獨立設計制造或者通過控股子公司設計制造,其他硅片廠商無法購買。其他主要的硅片廠商都有自己的獨立單晶爐供貨商,并且簽訂嚴格的保密協定,導致外界硅片廠商無法購買,或者只能購買到普通單晶爐,而對于高規格單晶爐無法供貨。所以設備壁壘也是國內廠商無法進入全球硅片主流供應商的原因。


資金壁壘:半導體硅片制造工藝復雜,需要購買先進,昂貴的生產設備,也需要根據客戶的不同需求不斷進行修改和調試。由于設備折舊等固定成本較高,下游需求的變化對硅片企業的產能利用率影響較大,從而對硅片制造公司的利潤影響較大。特別是新進入硅片行業的公司,在沒有達到規模出貨之前,幾乎一直處于虧損狀態,對資金壁壘要求較高。另外,由于晶圓廠對于硅片的認證周期較長,這期間需要硅片制造商持續投入,也需要大量資金。

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