硅片制造技术过程、成本及难点

硅片：制造难度大且壁垒高。本文具体介绍硅片技术制造过程、制造成本分析及主要壁垒。

硅片制造技术过程

硅片的原材料是石英，也就是通常说的沙子，可以直接在自然界开采。晶圆制造的过程可以通过几步来完成。脱氧提纯，提炼多晶硅，单晶硅锭（硅棒），滚磨，晶片切割，晶圆抛光，退火，测试，包装等等步骤。

脱氧提纯：硅片制造厂的原料是石英矿石，石英矿石的主要原料是二氧化硅（SiO2）。首先将石英矿石进行脱氧提纯，主要工艺有分选，磁选，浮选，高温脱气等等。主要将矿石中的主要杂质去除掉，比如铁、铝等杂质。

提炼多晶硅：在得到相对较纯的SiO2后，经过化学反应，生成单晶硅。主要反应为SiO2+CàSi+CO，一氧化碳（CO）为气体，反应完成后直接挥发掉。所以只剩下硅晶体。此时的硅为多晶体硅，并且为粗硅，存在一些杂质比如铁，铝，碳，硼，磷，铜等等元素。为了过滤掉多余杂质，必须将得到的粗硅进行酸洗，常用的酸是盐酸（HCl），硫酸（H2SO4）等等，用酸浸泡后的硅含量一般在99.7%以上。在酸洗的过程中，虽然将铁，铝等等元素也溶于酸且过滤掉。但是硅也和酸反应生成SiHCl3（三氯氢硅）或SiCl4（四氯化硅）。但是这两种物质都是气态，所以酸洗过后，原来的铁、铝等杂质已经溶于酸，但是硅已经变为气态。最后将高纯的气态SiHCl3或者SiCl4用氢气还原得到高纯多晶硅，SiHCl3+H2àSi+3HCl，SICl4+2H2àSi+4HCl。此时得到生产用的多晶硅。

 

CZ（直拉法）

直拉法（CZ）法硅片主要用在逻辑，存储器芯片中，市场占比约为95%；直拉法最早起源于1918年Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，所以又叫CZ法。这是当今生长单晶硅的主流技术。主要流程是在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，然后夹住一块单晶硅的籽晶，将它悬浮在坩埚之上，直拉时，一端插入熔体直到融化，然后再缓慢旋转并向上提拉。这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程，所以生成的硅晶体是单晶硅。另外，晶圆的掺杂也是在拉单晶的过程中进行的，通常有液相掺杂和气相掺杂两种。液相掺杂就是指在坩埚中参杂P型或者N型元素，在拉单晶的过程中，可以直接将这些元素拉到硅棒中。

直径滚磨：由于在拉单晶的过程中，对于单晶硅棒的直径控制较难，所以为了得到标准直径的硅棒，比如6寸，8寸，12寸等等。在拉单晶后会将硅锭直径滚磨，滚磨后的硅棒表面光滑，并且在尺寸误差上更小。

切割倒角：在得到硅锭之后，就进行晶圆切割，将硅锭放置在固定切割机上，按照已经设定好的切割程式进行切割。由于硅片的厚度较小，所以切割后的硅片边缘非常锋利。倒角的目的就是形成光滑的边缘。倒角后的硅片有较低的中心应力，因而使之更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易碎片。

抛光：抛光的主要目的是将晶圆的表面变得更加平滑，平整无损伤，并且保证每片晶圆的厚度一致性。

测试包装：在得到抛光好的硅片后，需要对硅片的电学特性进行测试，比如电阻率等等参数。大部分硅片厂都有外延片服务，如果需要外延片，再进行外延片生长。如果不需要外延片就会打包包装，运往其他外延片厂或者晶圆厂。

 FZ（区熔法）

区熔法（FZ）硅片主要用在部分功率芯片中，市场占比约为4%；用FZ（区熔法）制作的硅片主要用作功率器件。并且硅片尺寸以8英寸，6英寸为主，目前约有15%的硅片使用区熔法制作。与CZ法制作的硅片相比，FZ方法最大的特点就是电阻率相对较高，纯度更高，能够耐高压，但是制作大尺寸晶圆较难，而且机械性质较差，所以常常用于功率器件硅片，在集成电路中使用较少。

区熔法制作单晶硅棒总共分为三步：加热多晶硅，籽晶接触，向下旋转拉单晶。在真空或者惰性气体环境下的炉室中，利用电场给多晶硅棒加热，直到被加热区域的多晶硅融化，形成熔融区。然后用籽晶接触熔融区，并融化。最后通过移动电场加热位置，使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单晶硅棒。因为在区熔法中不适用坩埚，所以避免了很多污染源，用区熔法拉的单晶具有纯度高的特点。

硅片制造成本分析

新能源硅片制造成本 

光伏硅片成本大概可以分为硅料成本，长晶成本和切割成本。其中硅料成本是主要的成本消耗部分，约占总成本的50%。由于单晶硅和多晶硅对于长晶过程的要求不同，所以在长晶过程是单晶硅片和多晶硅片的主要成本差别。在切片环节，硅片制造商可以提高硅片的切割出片量来分摊成本。在长晶过程中的设备、电费、特气以及人工费用等等。

单晶硅制造成本：在硅成本和切片方面，单晶硅和多晶硅的差别不是很大。长晶环节是主要的成本差异。从单晶硅片的成本结构来看，硅料成本约占50%，拉单晶硅棒的成本约占整个成本的33%，切割成本约占17%。在拉单晶过程中的成本结构中，以坩埚费用和电费为主要成本来源，两者总共占比约为45%。剩余成本由石墨热场和折旧费用为主。在坩埚成本方面，拉单晶的石英坩埚在经过高温、冷却等等步骤之后，会产生裂纹或者破裂，导致无法再次使用。并且，由于拉单晶对于坩埚的洁净度要求很高，所以使用过的坩埚无法保证洁净度，同时单晶硅对于坩埚的品质要求较高。所以拉单晶的坩埚价格较高，且无法重复使用。在电力成本方面，国内半导体硅片厂商或者光伏硅片厂商都在内蒙古，云南，贵州等电力成本相对较低的区域建厂，有利于成本降低。单晶硅片的成本降低主要来源于三个方面。第一，提高单炉产出摊薄坩埚等一次性耗材和设备折旧。第二，电力成本降低。第三，批量采购硅料的价格优势。

多晶硅制造成本：多晶硅的生产制造过程中不需要拉单晶环节，所以长晶环节的成本占比较低。长晶成本只占总成本的12%。成本的主要来源是硅料成本，约占总成本的52%。其次是切割成本，约占总成本的29%。在多晶硅长晶成本中，石墨热场占比最高，达到28%。其次是坩埚、折旧和电力成本，分别占比为16.7%、16.7%和13.9%。由于多晶硅硅片主要用在光伏产品中，而且有逐渐被单晶硅片代替的趋势，所以多晶硅片的成本下降空间不大。

半导体硅片制造成本

半导体硅片成本构成更复杂：半导体硅片在纯度和电学特性方面较新能源硅片有更高要求，所以在制造过程中需要更多的纯化步骤和供应原料，造成制造原料的种类更加多样化。所以硅料成本占比相对减少，但是制造费用占比会相对增加。同时，相对于新能源硅片成本，半导体硅片在

直接材料是主要营业成本构成：对于半导体硅片来说，原材料成本是主要成本，约占主营业务成本的47%。其次是制造费用，约占38.6%，与半导体制造业类似，硅片行业属于资本密集型行业，对固定资产投资需求较高，会因机器设备等固定资产折旧产生较高的制造费用。最后是直接人工费用，占比约为14.4%。

多晶硅是原材料主要成本构成：在硅片制造的原材料成本中，多晶硅是主要原材料，占比约为30.7%。其次是包装材料，占比约为17.0%。由于半导体硅片对于洁净度和真空要求较高，特别是对于硅片这种极易氧化的物质，对包装的要求会比新能源硅片要求要高很多。因此在成本构成中，包装材料占比较高。石英坩埚占比约为原材料成本的8.7%。半导体硅片制造所用的石英坩埚也是一次性坩埚，但是对于坩埚的物理特性，热学特性等等要求更高。抛光液，研磨轮，抛光垫总共占比13.8%，主要用在硅片抛光过程中。

水电费用约占制造成本的15%：在制造成本费用中，水电费用总和约占整个制造费用的15%，其中电费约占11.4%，水费约占3.4%。在对应金额方面，根据硅产业集团的2018年财务数据，电费和水费的总成本和包装材料成本相当，约占多晶硅材料的一半。电费比石英坩埚略高20%左右。

硅片制造主要壁垒

硅片的壁垒较高，特别是对于半导体硅片而言，主要壁垒有四个：技术壁垒，认证壁垒，设备壁垒和资金壁垒。

技术壁垒：硅片的技术指标比较大，除去常见的尺寸大小，抛光片厚度等等外，还有硅片的翘曲度，电阻率，弯曲度等等。在主流的300mm硅片方面，由于先进制程对于硅片的均匀性要求较高，所以相对于200mm晶圆，增加了平整度，翘曲度，弯曲度，表面金属残余量等等参数来监测300mm硅片的质量要求。在纯度方面，先进制程的硅片要求在9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，是硅片供应商的主要技术壁垒。

硅片是高度定制产品；纯度是硅片的最基本参数，也是主要技术壁垒。除此之外，硅片不是通用型产品，无法复制。大硅片在各个晶圆代工厂的规格完全不同，各个终端产品的用途不同也会导致硅片的要求规格完全不同。这就要求硅片厂商要根据不同的终端客户产品来设计和制造不同的硅片，这就更大增加了硅片供应难度。

认证壁垒：芯片制造企业对于各类原材料的质量有着严苛的要求，对供应商的选择也非常谨慎。进入芯片制造企业的供应商名单具有较高的壁垒。通常，芯片制造企业会要求硅片供应商提供一些硅片进行试生产，并且大多数用在测试片，而不是晶圆量产片。通过测试片后，会小批量试生产量产片，待通过内部认证后，芯片制造企业会将产品送至下游客户处，获得其客户认证后，才会对硅片供应商进行最终认证，最后签订采购合同。半导体硅片企业的产品进入芯片制造企业的供应链需要经历较长的时间，对于新供应商的认证周期最短也需要12-18个月。

此外，测试片到量产片的认证壁垒：目前国内的12寸晶圆大多停留在测试片的供应上，但是测试片的认证程序和量产片的认证程序完全不同，量产硅片的认证标准更加严格。测试硅片由于不制造芯片，所以只需要晶圆代工厂自己认证，并且只需要在当前制造站点得到认证就可以。但是对于量产硅片来说，必须得到终端fabless客户的认证，并且要得到整个制造流程各个步骤的监测才可以批量供应。一般情况下，为了保持硅片供应和芯片良率的稳定。晶圆制造商与硅片供应商一旦建立供应关系后，不会轻易更换供应商，且双方建立反馈机制，满足个性化需求，硅片供应商与客户的粘性不断增加。新硅片厂商如果加入到供应商行列，必须提供比原有供应商更加紧密的合作关系和更高的硅片质量。所以在硅片行业，硅片供应商和晶圆制造商的粘性较大，新晋供应商打破粘性的难度较大

设备壁垒：制造硅片的核心设备是单晶炉，可谓是硅片中的“光刻机”。国际主流硅片厂商的单晶炉都是自己制造。比如信越和SUMCO的单晶炉是公司独立设计制造或者通过控股子公司设计制造，其他硅片厂商无法购买。其他主要的硅片厂商都有自己的独立单晶炉供货商，并且签订严格的保密协定，导致外界硅片厂商无法购买，或者只能购买到普通单晶炉，而对于高规格单晶炉无法供货。所以设备壁垒也是国内厂商无法进入全球硅片主流供应商的原因。

资金壁垒：半导体硅片制造工艺复杂，需要购买先进，昂贵的生产设备，也需要根据客户的不同需求不断进行修改和调试。由于设备折旧等固定成本较高，下游需求的变化对硅片企业的产能利用率影响较大，从而对硅片制造公司的利润影响较大。特别是新进入硅片行业的公司，在没有达到规模出货之前，几乎一直处于亏损状态，对资金壁垒要求较高。另外，由于晶圆厂对于硅片的认证周期较长，这期间需要硅片制造商持续投入，也需要大量资金。

来源：半导体在线

今日科普：硅料的生产技术起源于德国西门子，因此又叫西门子法。1955 年，西门子公司成功开发了利用氢气还原三氯硅烷在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957 年开始了工业规模的生产，至今该生产方法已经沿用半个多世纪。

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