一篇文章带你了解半导体硅晶片

　　硅片是生产集成电路的主要原材料。硅片尺寸越大则每片硅片上可以制造的芯片数量就越多，从而制造成本就越低。硅片尺寸的扩大和芯片线宽的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。现在12寸硅片的出货量占比超过60%，是现在主流的硅片尺寸。
　　半导体硅片通常由高纯度的多晶硅锭釆用提拉法（CZ Method）为主拉成不一样电阻率的硅单晶锭，然后经过晶体定向→外圆滚磨→加工主、副参考面→切片→倒角→热处理→研磨→化学腐蚀→抛光→清洗→检测→包装等工序。
　　根据硅纯度的不一样要求，可分为太阳能等级99.9999%，6个“9”纯度，以及半导体等级11个“9”的纯度。本文只涉及半导体用的硅片。
　　硅晶圆
　　在半导体制造业中广泛运用各种不一样尺寸与规格的硅片，通常包括4英寸、5英寸、6英寸、8英寸及12英寸，它们的基本规格如下表所示。

来源：半导体制程技术导论；2001年肖宏P102
　　由于缺乏统一定义，硅片尺寸的过渡时间无法达成共识，其中有一种看法认为累积硅片的出货量超过100万片时，表示该硅片尺寸进入。实际上如英特尔等总是领先其它厂商，首先进入更大尺寸的硅片。
　　按照主流的统计，全球4英寸硅片于1986年、6英寸于1992年、8英寸于1997年及12英寸于2005年分别完成过度。
　　而如果依英特尔的芯片生产线建设（见intel’s all fab list），它的3英寸生产线于1972年FAB2、4英寸生产线于1973年FAB4、6英寸生产线于1978年FAB5、8英寸生产线于1992年FAB15以及它的第一条12英寸生产线于2002年FAB12 in Hillsboro，与IBM同步，基本都早于市场主流。
　　业界较为公认的说法，1980年代是4英寸硅片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2002年时英特尔与IBM首先建12英寸生产线，到2005年已占20%，及2008年占30%，而那时8英寸已下降至54%及6英寸下降至11%。
　　多晶硅的原材料——高纯度的石英，现在已知的全世界的储量，中国最多，品质最好，但是我国之前却是将石英矿沙在高温下还原成金属硅后低价外销，再高价进口多晶硅，并且石英还原成金属硅的阶段是高度污染的。
　　好在近些年光伏产业带动了国内多晶硅产业的发展，现在太阳能等级的多晶硅，我国的产量已经是全球第一。
　　截止2014年，全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,平均约450万片/月。2015年第1～第2季度每月平均需要量约500万片。现在300mm半导体级的硅片，国内一个月需要量约45-50万片，而现在国内的产量几乎为零，这是产业链上最为紧缺的一环，估计未来5年内仅300mm硅片中国的月需要量将超过100万片以上。
　　而从硅片的市场供应来看，全球日本生产的最多，日本信越和SUMCO这两家的产能和实际供应量总和占全球2/3以上。300mm半导体级的大硅片，不仅是产业链缺失的重要一环，也是国家安全战略发展的需要。
　　国家在2012--2013年科技部02专项中，已有大硅片方面项目的经费准备，但迟迟不能立项，原因就是虽然有国内研究机构曾经做过12寸大硅片，研究成功，但由于良率不高还不能量产。
　　2014年，科技部02专项的领导下定决心要攻克12英寸硅片难关。要求是不仅研究成功，更要量产成功。量产的概念不是几千片，是每个月10万片以上交付客户，连续6个月交付客户10万片以上，才算完成项目。
　　2015年全球硅晶圆片供应商排名，日本信越第一位，占比27%；日本SUMCO占比26%居第二；环球晶圆占比7%；Siltronic占比13%；LG占比9%；SunEdison占比10%；其它占8%。
　　由国家立项的12英寸硅片项目已经启动，叫上海新昇半导体科技有限公司，成立于2014年6月，总投资68亿元，一期总投资23亿元。新昇半导体第一期目标致力于在我国研究开发适用于40-28nm节点的300mm硅单晶生长、硅片加工、外延片制作、硅片分析检测等硅片产业化成套量产工艺；建设300毫米半导体硅片的生产基地，实现300毫米半导体硅片的国产化，充分满足我国极大规模集成电路产业对硅衬底基础材料的迫切要求。
　　新昇半导体一期投入后，估计月产能为15万片12英寸和5万片8英寸硅片，最终将形成300mm硅片60万片/月的产能，年产值达到60亿元。新昇将与世界一流技术接轨，达到世界先进水平。
　　450毫米硅片
　　为了加速发展450mm(18英寸)晶圆，全球五大半导体厂商IBM、英特尔、三星电子、台积电和Global Foundries在2011年共同成立全球450mm联盟，简称G450，并于美国纽约州Albany设立450mm晶圆技术研究中心。
　　450mm联盟成立后，18寸晶圆世代的技术和机台设备有不少方针已开始确立，是半导体产业迈入18寸晶圆世代的重要里程碑，目的是推动450 mm硅片技术的发展。
　　实际上在2012年期间，除了G450C联盟之外、全球尚有EEMI450联盟(欧洲)和Metro450联盟(以色列)，共计三个联盟来推动450毫米硅片的进展，目标是可互用研究结果，减少重复性的实验。
　　除此之外，半导体制造技术战略联盟(SEMATECH)和国际半导体设备与材料协会(SEMI)等也在推动全球产业链的合作研究，因为硅片直径的增大将牵动整个产业链很大的改变。
　　然而，450毫米硅片的进程自开始就有不一样的看法，其中最为关键是半导体设备供应商，包括如使用材料公司等缺乏积极性，理由是450毫米设备不是简单地把腔体的直径放大，而是要从根本上对于设备进行重新规划，因此面临着经费与人力等问题，更多的担心是未来的市场，能否有足够的投资回报率。
　　所以，对于450毫米硅片来说，尽管英特尔、三星及台积电等大厂信心满满，实际上是雷声大雨点小。自2014年开始G450C联盟出现暂缓研究450 mm硅片的迹象。尽管如TSMC等曾宣告将于2018-2019年期间会采用450毫米硅片。然而依现在半导体业的态势观察，现在还很难取得实质性的进展。
　　采用450毫米硅片，如同前几次硅片增大直径一样，关键在于从经济上要有它的利益点，包括芯片制造商及设备供应商在内，另一个是产业发展需要扩大产能的迫切性，所以需要等待未来市场的再次高潮到来。
　　不管如何，450毫米硅片对于全球半导体业仍是一个悬而未决的课题。