23年单晶硅片行业的发展：半导体单晶硅片行业深度研究报告
23年单晶硅片行业的发展：半导体单晶硅片行业深度研究报告集成电路产业沿着摩尔定律发展 制程节点不断缩小 1971 年集成电路的制程节点是 10微米(百分之一毫米) 发展到现在 三星和台积电量产 10 纳米(十万分之一毫米)即 将实现量产 技术节点缩小到千分之一 意味着晶体管面积缩小百万分之一。之后 经过 2 英寸 3 英寸 和4 英寸。接下来 5 英寸 6 英寸 8 英寸 然后进入 12 英寸。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%。预计在 2020 年左右 18 英寸(450mm)的硅片将开始投入使用。硅片尺寸越大 将来在制成的每块晶圆上就能切割出更多的芯片 单位芯片的成本也就更低。在
硅片又称硅晶圆片 是制作集成电路的重要材料 通过对硅片进行光刻、离子注入等手 段 可以制成集成电路和各种半导体器件。硅片是以硅为材料制造的片状物体 直径有 6英寸、8 英寸、12 英寸等规格。单晶硅是硅的单晶体 是一种比较活泼的非金属元素 具有基本完整的点阵结构。
不同的方向具有不同的性质 是一种良好的半导材料。纯度 要求达到 99.9999% 甚至达到 99.9999999% 杂质的含量降到 10-9 的水平。采用西门子 法可以制备高纯多晶硅 然后以多晶硅为原料 采用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长 出棒状单晶硅。单晶硅圆片按其直径主要分为 6 英寸、8 英寸、12 英寸及 18 英寸等。
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硅(Si)是目前最重要的半导体材料 全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的。在可预见的未来 还没有其它材料(如石墨烯等)可以替代硅的地位。在半导体制造业中广泛使用各种不同尺寸与规格的硅片 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。
硅片尺寸越大 将来在制成的每块晶圆上就能切割出更多的芯片 单位芯片的成本也就更低。
在 1960 年时期就有了 0.75 英寸(约 20mm)左右的单晶硅片。
在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩尔定律时 还是以分立器件为主的晶体管 然后开始使用少量的 1.25 英寸小硅片 进而集成电路用的 1.5 英寸硅片更是需求大增。
之后 经过 2 英寸 3 英寸 和4 英寸。接下来 5 英寸 6 英寸 8 英寸 然后进入 12 英寸。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%。预计在 2020 年左右 18 英寸(450mm)的硅片将开始投入使用。
集成电路产业沿着摩尔定律发展 制程节点不断缩小 1971 年集成电路的制程节点是 10微米(百分之一毫米) 发展到现在 三星和台积电量产 10 纳米(十万分之一毫米)即 将实现量产 技术节点缩小到千分之一 意味着晶体管面积缩小百万分之一。
单晶硅片具有显著的半导特性单晶硅具有较弱的导电性 导电性明显受光、电、磁、温度等因素的影响 电导率随着温度的升高而增加 有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。单晶硅是晶体材料的重要组成部分 处于新材料发展的前沿。
直拉法和区熔法是制备单晶硅最常用的方法
单晶硅片是单晶硅棒经由一系列工艺切割而成的 制备单晶硅的方法有直拉法(CZ 法)、 区熔法(FZ 法)和外延法 其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。区熔硅单晶的最 大需求来自于功率半导体器件。
直拉法简称 CZ 法。CZ 法的特点是在一个直筒型的热系统汇总 用石墨电阻加热 将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化 然后将籽晶插入熔体表面进行熔接 同时转动籽晶 再反转坩埚 籽晶缓慢向上提升 经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程 得到单晶硅。
区熔法是利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法 利用热能在半导体棒 料的一端产生一熔区 再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动 通 过整根棒料 生长成一根单晶 晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种:水平区熔法和 立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。后者是在气氛或真 空的炉室中 利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区 然 后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托 悬浮于多晶棒与单晶之间 故称为悬浮区熔法。
单晶硅是从大自然丰富的硅原料中提纯制造出多晶硅 再通过区熔或直拉法生产出区熔 单晶或直拉单晶硅 进一步形成硅片、抛光片、外延片等。直拉法生长出的单晶硅 用 在生产低功率的集成电路元件。而区熔法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。
直拉法加工工艺:加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长 长完的晶 棒被升至上炉室冷却一段时间后取出 即完成一次生长周期。悬浮区熔法加工工艺:先 从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法 将一段区域熔化 使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动。这 种方法不用坩埚 能避免坩埚污染 因而可以制备很纯的单晶 也可采用此法进行区熔。
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