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芯片制造详解02：晶圆的诞生｜国产之路第一关：硅片的制造

1硅片的制造

硅片就是光秃秃的晶圆，经过光刻、外延、刻蚀等操作，变成包含有数百枚芯片的成熟晶圆，再经过切割，封装成一个个独立的芯片。

1. 截段

首先硅棒会被截去硅头和硅尾，切下来的部分如果质量好，可以削成籽晶，用来拉出新的硅棒。接下来用四探针法，测量棒身的电阻率，以此来检查轴向的杂质浓度是否异常。检测完成后，将其裁成30cm左右长度的硅段，然后进入下一道工序——磨滚。

2.滚磨

将硅段固定在机器上缓慢滚动，用侧面的金刚石砂轮对棒身进行打磨，由于直拉法无法精确控制晶体生长来获得完美的圆柱体，首先得拉出一个粗一点的硅棒，再通过滚磨得到想要的目标尺寸，该步骤会大量摩擦发热，需要持续加水降温。

3. 磨研定位边（槽）

滚磨完成后，在硅段侧面磨出一个平面或一道沟槽，这就是以后硅片上的定位边（flat）或者点位槽（notch），光刻机需要通过他们来对硅片进行最开始的定位和校准，在业界，定位边还有一个小作用，就是表明硅片的类型和晶向。

4. 切片

以前普遍用内圆切割机，差不多是带有环形刀片的狗头铡，有点是切割稳定，切面平整，但是效率低，一次只能切一片，而且由于刃口较厚，切割时损耗的硅料较多，不适合处理相对于更薄更大尺寸硅片；目前主流的切片方式是使用金刚线的多线切割机，也就是上面固定金刚石颗粒的钢丝线同时对硅段进行多段切割，线切法虽然不如传统刀片稳定，后续硅片打磨时间也更长，但胜在切割效率高损耗低。

5. 磨片

切下来的硅片会先经过一遍机械打磨，让表面更加平整且让整体更薄，比如12英寸的硅片通过磨片会将厚度减少到775微米左右，同时硅片还要做背损伤（backside rounghening），人为制造一个粗糙的背部，比如在背面喷砂或者沉积一层多晶硅，这样是为了在底部制造大量晶体缺陷作为陷阱，把后续工艺中不想要的金属杂质困在底层，从而保护上层的器件。

6. 倒角

通过倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形——因为高纯度硅是一种脆性很高的材料，如此处理可以降低边缘处发生崩裂（chipping）的风险。除此以外，有弧度的边角在后续的芯片制造工艺中还有两个作用，一实在光刻时，光刻胶是通过旋转的方式涂抹在硅片表面上的，如果边缘是直角边，光刻胶容易因为离心力在边缘处累积造成厚度不均从而影响光刻；二是在外延生长时，沉积物会优先堆积在直角边影响沉积效果，而圆弧状的角可以消除边缘沉积的现象（Edge Crown）。

7.刻蚀

磨片倒角完成后，厂商会对硅片打上激光标识码再进行一遍精磨去除10微米的厚度，然后放入溶剂中进行化学刻蚀，通常使用氢硝酸和氢氟酸腐蚀掉表面约20~50微米左右的厚度，来去除之前打磨过程中硅片积累的机械损伤以及混入硅片表层的磨料

• Si+HNO
  
  ₃
  
  +6HF —20℃—> H
  
  ₂
  
  SiF
  
  ₆
  
  +HNO
  
  ₂
  
  +H
  
  ₂
  
  O

8.化学机械抛光（CMP）

到此为止硅片表面已经很光滑了，但是制造芯片还远远不够，根据04年国际半导体技术发展蓝图，12寸的硅片整体平整度要小于51纳米，相当于在电影院挂一块IMAX幕布起伏比一根头发丝还要细，为了达到这种极致的平坦，需要对硅片进行化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing），这一步结合了物理化学的理综型抛光手段。将硅片装在旋转的抛光仪器上，下降到下方，表面薄层会先被研磨液化学氧化，再被抛光垫物理打磨，这一步硅片厚度会再打薄5微米左右，直到被抛光成完美的镜面。通常对8英寸硅片进行单面抛光，12英寸硅片进行双面抛光。

9. 湿法清洗

用去离子水和各种化学溶剂进行清洗，去掉制程中黏附在表面的各种尘埃和杂质，颗粒物要求尺寸只有几纳米，比无菌手术还严格，一粒流感病毒直径就有100纳米，细菌就更大了，所以很多硅片厂或晶圆厂的员工得了感冒必须休假，否则打一个喷嚏都可能污染芯片，这也是疫情对芯片产业打击格外严重的原因之一。

10.检测封装

在平整度、清洁度之外，硅片还要保证翘曲度、氧含量、金属残余量等指标，要经过电镜检查、光学散射等各种检测达标后，一张硅片才算合格。它将被放在充满氮气的密封盒里，然后送往晶圆厂。

2硅片市场

1.硅片市场占比

目前芯片市场主要控制在5家公司手中

5家公司一共占领全球90%的硅片供应。日本是第一个实现了12英寸大硅片量产的国家，此后一直保持着硅片技术上的先发优势。环球晶圆是一家2011年才成立的企业，靠着从中美矽晶继承下来的技术累积以及近几年强势的并购扩张，迅速成长为硅片市场第三，22年下半年它还将并购第四的德国世创，届时市占率将超过30%，与信越化工争夺第一。

2.硅片指标

光伏级单晶硅

的纯度要求

99.9999%

，而

半导体

的纯度要求

10~11个9

，虽然两者制作流程基本相同，但是在厂房设备和控制精度上相差悬殊。

硅片的尺寸有很多种，8英寸和12英寸指的是200和300毫米直径的硅片或晶圆。理论上直径越大越好，这样单片晶圆产出的芯片更多，而且硅片边缘处的残损芯片（edge die）占比更少，提高了生产良率，分摊了制造成本，但是大硅片在工艺和设备上的门槛也更高。目前8英寸广发应用于90纳米以上的成熟制程，汽车的传感器和功率器件大部分都是来自于8英寸硅片；12英寸的大硅片则用于更先进的制程，电脑CPU、显卡和手机存储卡基本都产自12英寸硅片。

3.芯片产业链规模

目前我国生产的单晶硅料和硅片绝大部分都是光伏级，从全球产业规模来看，

光伏产业

全球市场份额在

1000亿美

元左右的规模，近年的生产和市场增量基本都在我国——但用来做芯片的半导体级硅片，大陆的企业产能占比骤降到不到5%，虽然半导体硅片的市场规模只有100多亿美元，看上去没什么肉，但别忘了，这只是整个半导体产业链的最上游，越往下走，利润就会以指数形式增长，有了

硅片

，就可以造

芯片

，芯片的市场规模高达

4000亿美元

，然后才能生产

电脑、手机等电子产品

，到这就是远超光伏级产业的

万亿美元

级别，民用和军工大市场。真个半导体产业链环环相扣，上中游三层，每一层都是下一层的入场券。

4.国内硅片市场难题

1. 
   成本
   
   ：半导体硅料和硅片属于上游市场，规模不大，利润不高，但是投入巨大，成本高昂，需要大量资金支持。
2. 
   设备
   
   ：以最源头的单晶炉为例，各大硅片寡头都有自己的独家供应商，信越化工甚至能自己制造单晶炉让外界买不到同款，而后续的生产流程，国内的硅片厂商基本都采用进口设备，倒角机主要来自日本的东京精密和打途电子，多线切割机来自日本的NTC和瑞士的Slicing Tech；这些设备虽然能找到国产替代，但质量和精度往往差距较大，尤其是关键步骤的CMP，物料部分如抛光垫和研磨液尚能国产，但设备本身完全依赖进口。
3. 
   晶圆厂对硅片寡头的路径依赖
   
   ：从光秃秃的硅片变成包含数百枚芯片的晶圆，这中间要经历动辄数十门设备和上千道工序，成本巨大所以从源头的工艺验证阶段，晶圆厂就要和硅片供应商紧密合作，而一款工艺成熟之后，晶圆厂就不会贸然更换其他供应商的硅片，否则生产良率和芯片的可靠性一旦受到影响，成本和代价就太大了
4. 
   研发投入和人才培养
   
   ：归根结底都是得花钱