集成電路用硅材料現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)體系分析

楊素心｜文

集成電路是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是國(guó)家重要的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。作為集成電路用基礎(chǔ)原材料，硅材料是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在國(guó)家政策和市場(chǎng)需求牽引的共同作用下，國(guó)內(nèi)電子級(jí)多晶硅取得突破，大尺寸硅單晶、硅片也取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

轟轟烈烈的中美貿(mào)易戰(zhàn)中頗具代表性的“中興事件”和“華為事件”讓芯片火了一把，“缺芯之痛”使得全國(guó)人民意識(shí)到芯片雖小卻是國(guó)之重器。中國(guó)是全球第一大消費(fèi)電子生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，但目前我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)能力難以滿足下游龐大的需求。2018年我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)到6532 億元，同比增長(zhǎng)20.7%，但是大量集成電路產(chǎn)品仍然依靠進(jìn)口。集成電路已成為支撐我國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略物資，改變?cè)诩呻娐樊a(chǎn)業(yè)中的落后地位，關(guān)系到國(guó)家的信息安全和經(jīng)濟(jì)利益，我國(guó)各種相關(guān)政策、資金都在著力推進(jìn)集成電路的發(fā)展。

集成電路用硅材料概況

圖1 集成電路用硅片生產(chǎn)工藝流程

集成電路大體分設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大環(huán)節(jié)，而硅材料處于集成電路制造環(huán)節(jié)的上游，對(duì)集成電路產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格等起著重要作用，是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。集成電路用硅材料主要包括電子級(jí)多晶硅和硅片，其典型的生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1。芯片如果被比喻成一座微型城市，上面有著長(zhǎng)度達(dá)數(shù)公里的導(dǎo)線以及幾千萬(wàn)甚至上億根晶體管，而硅片就是讓這些元件安家落戶的“地基”，電子級(jí)多晶硅又是生產(chǎn)硅片的原材料。多年來(lái)，我國(guó)電子級(jí)多晶硅、大尺寸硅片依賴進(jìn)口，隨著國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)展現(xiàn)出的空前支持力度和國(guó)內(nèi)廣闊的市場(chǎng)空間，近幾年我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)迅猛增長(zhǎng)，電子級(jí)多晶硅取得突破，8 英寸硅片實(shí)現(xiàn)部分自給，12 英寸硅片生產(chǎn)線也密集建設(shè)中，后期有望突破外商壟斷，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

電子級(jí)多晶硅現(xiàn)狀

電子級(jí)多晶硅處于硅材料的上游，由于生產(chǎn)難度極大，多年來(lái)一直依賴進(jìn)口。目前，大基金支持的江蘇鑫華和洛陽(yáng)中硅大力開展電子級(jí)多晶硅的研究及產(chǎn)業(yè)化。2018年6月，江蘇鑫華發(fā)布消息稱，一批集成電路用高純度多晶硅出口韓國(guó)。此外，青海黃河水電已經(jīng)給浙江金瑞泓公司進(jìn)行批量供貨。近十余年來(lái)，通過(guò)對(duì)國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，我國(guó)多晶硅企業(yè)形成了成熟的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)技術(shù)，還原爐、氫化爐等關(guān)鍵設(shè)備也已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這些都為電子級(jí)多晶硅的質(zhì)量提升、成本降低打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著目前這幾家生產(chǎn)電子級(jí)多晶硅企業(yè)的試產(chǎn)、試用和驗(yàn)證，我國(guó)自產(chǎn)的電子級(jí)多晶硅有望逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及廣泛應(yīng)用。

顆粒硅主要用于單晶硅連續(xù)拉晶加料、多晶硅鑄錠鋪底以及塊狀多晶硅填隙增加裝爐量。目前國(guó)內(nèi)江蘇中能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以硅烷為原料，流化床技術(shù)生產(chǎn)顆粒硅；2018年6月21日，亞洲硅業(yè)也攻克了氯硅烷制備顆粒硅的難題，中試線采用二氯二氫硅直接分解制備顆粒硅；陜西天宏與美國(guó)REC 合資成立的天宏瑞科公司，建立了流化床法顆粒硅生產(chǎn)線，已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。據(jù)悉，國(guó)內(nèi)其他多晶硅生產(chǎn)企業(yè)也有在嘗試顆粒硅的生產(chǎn)，以期降低成本，搶占市場(chǎng)。但是由于顆粒硅的金屬雜質(zhì)含量較高，目前主要用于低端產(chǎn)品的生產(chǎn)和光伏行業(yè)。

硅片現(xiàn)狀

高品質(zhì)、大尺寸的硅片更能夠降低成本，提升生產(chǎn)效率，因此，在保證品質(zhì)的情況下，硅片一直沿著大面積的趨勢(shì)發(fā)展。集成電路用硅片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)門檻高，8 英寸、12 英寸硅單晶生長(zhǎng)與硅片制造的工藝復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度和產(chǎn)品的幾何精度要求極高，產(chǎn)品質(zhì)量管控體系苛刻。全球前五大廠商（日本信越、日本勝高、中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓、德國(guó)Silitronic、韓國(guó)LG）占據(jù)了90%以上的份額，在12 英寸硅片市場(chǎng)更是占據(jù)將近98%的份額。

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)能滿足4 ～6 英寸硅片的性能需要，8 英寸生產(chǎn)線（含外延片）仍有90%進(jìn)口，而12 英寸生產(chǎn)線主要在建設(shè)和規(guī)劃中，幾乎100%依賴進(jìn)口。這種情況嚴(yán)重制約著我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和供應(yīng)鏈安全。為應(yīng)對(duì)高需求、低供給的現(xiàn)狀，我國(guó)積極建設(shè)硅片廠，2018年在建或規(guī)劃中的8 英寸和12 英寸生產(chǎn)線主要有9 家，后續(xù)如均能順利量產(chǎn)，預(yù)計(jì)12 英寸硅片月產(chǎn)能達(dá)到120 萬(wàn)片，8 英寸硅片月產(chǎn)能達(dá)到160 萬(wàn)片，基本可以滿足國(guó)內(nèi)需求。據(jù)悉，杭州立昂微電子在衢州投資的8英寸硅片生產(chǎn)線項(xiàng)目已正式投產(chǎn)，并于2019年7月2日拉制成功長(zhǎng)約1.5 米、重達(dá)270 公斤的12 英寸硅單晶棒。

標(biāo)準(zhǔn)體系分析

作為發(fā)展最成熟的半導(dǎo)體材料，硅材料標(biāo)準(zhǔn)一直緊跟行業(yè)發(fā)展，及時(shí)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，在規(guī)范市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步方面起了重要作用。根據(jù)硅材料在半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域的不同應(yīng)用，建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。已發(fā)布的半導(dǎo)體材料標(biāo)準(zhǔn)中，硅材料標(biāo)準(zhǔn)（含輔助材料及通用的基礎(chǔ)、方法標(biāo)準(zhǔn)）有128 項(xiàng)，占比54.24%，包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)10 項(xiàng)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)35 項(xiàng)、方法標(biāo)準(zhǔn)78 項(xiàng)、管理標(biāo)準(zhǔn)5 項(xiàng)，其中集成電路用硅材料直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)共89 項(xiàng)。

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中除鍺晶體缺陷圖譜和藍(lán)寶石晶體缺陷圖譜外的10 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都與硅材料相關(guān)。與SEMI 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，我國(guó)的硅材料基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系完善，包括術(shù)語(yǔ)、缺陷圖譜、牌號(hào)、訂貨單等。其中《硅材料原生缺陷圖譜》更是填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，包括了多晶硅、單晶硅和硅片的362 張缺陷圖，并結(jié)合缺陷圖片對(duì)缺陷形態(tài)、產(chǎn)生原因以及消除或抑制方法進(jìn)行了描述，是目前國(guó)內(nèi)外最全面、最實(shí)用的硅材料缺陷圖譜。

已發(fā)布的集成電路用硅材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)共16 項(xiàng)，包括了生產(chǎn)工藝流程中的主要產(chǎn)品，包括電子級(jí)多晶硅、硅單晶、切割片、研磨片、腐蝕片、拋光片和外延片，并補(bǔ)充了硅退火片、硅拋光回收片和硅單晶拋光試驗(yàn)片等。SEMI 標(biāo)準(zhǔn)中部分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)細(xì)分的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了規(guī)范，如優(yōu)質(zhì)硅單晶拋光片、功率器件用SOI、450 毫米硅單晶拋光片等?？傮w來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也是順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及時(shí)跟進(jìn)的，隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量的提高，后期將會(huì)側(cè)重細(xì)分領(lǐng)域優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立，例如刻蝕機(jī)用硅電極及硅環(huán)、集成電路用低密度晶體原生凹坑硅單晶拋光片等。

集成電路用硅材料適用的方法標(biāo)準(zhǔn)有63 項(xiàng)，常規(guī)的技術(shù)指標(biāo)，如電學(xué)性能、外形尺寸、表面質(zhì)量、金屬雜質(zhì)等，都已有方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，而且硅材料行業(yè)內(nèi)制定的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也同樣適用于鍺、砷化鎵等其他半導(dǎo)體材料的測(cè)試，避免了標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)制定。SEMI 標(biāo)準(zhǔn)中的硅材料及工藝控制標(biāo)準(zhǔn)共68 項(xiàng)，其中47 項(xiàng)都有對(duì)應(yīng)的國(guó)行標(biāo)，其余的21 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中包括了光學(xué)顯微鏡的設(shè)置、硅樣品制備方法、腐蝕溶液的選擇指南等，典型的半導(dǎo)體材料方法標(biāo)準(zhǔn)僅5項(xiàng)。我國(guó)現(xiàn)行的方法標(biāo)準(zhǔn)體系基本滿足了目前的檢測(cè)需要，隨著技術(shù)的發(fā)展和檢測(cè)方法的成熟，再適時(shí)對(duì)已有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，并補(bǔ)充其他相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)行業(yè)需求，如晶體原生凹坑（COP）的測(cè)試、二次離子質(zhì)譜法測(cè)試硅中氧、氮含量等。

結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家政策和市場(chǎng)需求牽引的共同作用下，集成電路用硅材料取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。但是電子級(jí)多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提升，大硅片項(xiàng)目目前看來(lái)也存在較大的不確定因素，技術(shù)、設(shè)備、產(chǎn)能、驗(yàn)證等方面均考驗(yàn)企業(yè)及團(tuán)隊(duì)能力。促進(jìn)高端產(chǎn)品在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化，提升產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和批次的一致性，需要產(chǎn)業(yè)鏈的整體協(xié)同推進(jìn)。硅材料標(biāo)準(zhǔn)體系也需進(jìn)一步緊跟行業(yè)變化，適時(shí)提出標(biāo)準(zhǔn)制修訂，規(guī)范國(guó)內(nèi)硅材料市場(chǎng)，助力行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。