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【金融汇】半导体制造材料——硅片(一)

译信丰崟2018-06-22 01:25:39


一、 硅片简介及应用领域


硅片又被称为硅圆晶片,是集成电路制作中最为重要的原材料。硅片是以硅为材料制造的片状物体,一般是由纯度很高的结晶硅制成的。与其他材料相比,结晶硅的分子结构非常稳定,很少有自由电子产生,因此其导电性极低。半导体器件则是通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,改变硅的分子结构进而提高其导电性,最终获得的一种具备较低导电能力的产品。   1)在 IC 制造中所使用的晶圆均为单晶硅片,具体的硅片又可分为抛光片,外延片和 SOI 三大类。


2)按照尺寸规格不同,硅片可分为 4 英寸、5 英寸、6 英寸、8 英寸和 12 英寸等,尺寸越大,对设备和工艺的要求则越高。在摩尔定律的影响下,硅片制造正不断向着大尺寸的方向发展。一般而言,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。


 

  3)从下游应用领域来看,硅片主要应用于半导体和光伏两大领 域,差异主要体现在硅片类型、纯度、以及平整度、光滑度及洁净程 度等其他特性。从功能上讲,硅片在 IC 制造和太阳能电池制造领域均作为“基底”材料,二者的主要差异在于:


1、为满足相应的电学特性,半导体级硅晶圆都是单晶硅,而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅皆有;


2、半导体级硅片的纯度要求极高,通常为 99.9999999%(9N)以上,光伏级对于硅片纯度的要求则相对较低,一般介于 99.99%—99.9999%(4N-6N)之间。


3、此外,半导体级硅片对表面的平整度、光滑度及洁净程度也比光伏级硅片要高,因此制备半导体级硅片需要经过更加细致的磨片倒角、刻蚀除杂、抛光及清洗环节。因此整体上讲,半导体级硅片的制备门槛远高于光伏级硅片。


 

二、技术门槛


硅片的生产过程非常复杂,从硅石到硅片需要经过提纯、熔铸、拉棒、切割、抛光、清洗等多道工序。一般而言,硅片要经过硅石的三步提纯制备出纯度为 99.9999999%的半导体级硅,再通过熔铸、拉棒等工艺流程生产成适当直径的硅锭,最后被切割、抛光、清洗并通过质检环节后,可完成的用于下游生产的薄硅片的制备。

 


单晶硅片是以多晶硅作为直接原材料,经过直拉法或者区熔法拉制出单晶硅棒,再通过切割、磨片、抛光工序而制成的。通常,直拉法生产出的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元件,而区熔法生产出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。


从生产工艺流程来看,多晶硅的制备、硅料的铸锭、拉棒以及硅片的切割是目前硅片生产过程中的四大核心技术。这四大技术在生产工艺中主要通过影响硅片的纯度、杂质含量、密实度、晶粒尺寸及尺寸分布、结晶取向与结构均匀性、以及硅片的薄厚程度等,进而影响硅片的光电转换效率。