深度揭秘硅片产业，巨大潜力成就半导体材料之王【附下载】| 智东西内参( 二 )
半导体硅片：半导体硅片比光伏硅片的要求更高 。 首先 ， 半导体行业使用的硅片全部为单晶硅 ， 目的是为了保证硅片每个位臵的相同电学特性 。 在形状和尺寸上 ， 光伏用单晶硅片是正方形 ， 主要有边长 125mm ， 150mm ， 156mm 的种类 。 而半导体用单晶硅片是圆型 ， 硅片直径有 150mm（6 寸晶圆） ， 200mm（8 寸晶圆）和 300mm（12 寸晶圆）尺寸 。 在纯度方面 ， 光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为 4N-6N 之间（99.99%-99.9999%） ， 但是半导体用单晶硅片在 9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右 ， 纯度要求最低是光伏单晶硅片的 1000 倍 。 在外观方面 ， 半导体用硅片在表面的平整度 ， 光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求高 。 纯度是光伏用单晶硅片和半导体用单晶硅片的最大不同 。
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▲半导体硅片制造过程
摩尔定律的发展就是硅片的发展 。 由于半导体用硅片是圆形 ， 所以半导体硅片也叫“硅晶圆”或者“晶圆” 。 晶圆是芯片制造的“基底” ， 所有的芯片都是在这个“基底”上制造 。 在半导体用硅片的发展历程中 ， 主要有尺寸和结构两个方向 。
在尺寸上 ， 硅片的发展路径是越来越大：在集成电路发展初期 ， 使用的是 0.75 英寸晶圆 。 而增加晶圆面积 ， 增加单片晶圆上的芯片个数可以降低成本 。 1965 年左右 ， 随着摩尔定律的提出 ， 集成电路技术和硅片都迎来快速发展期 。 硅片经历了4 寸、6 寸、8 寸和 12 寸等节点 。 自从2001 年英特尔和 IBM联合开发了 12 寸晶圆芯片制造后 ， 现主流硅片就是12寸晶圆 ， 占比约为 70% ， 但 18寸（450mm）晶圆的已经提上议程 。
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▲不同尺寸晶圆的参数
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▲硅片大小的发展
在结构方面 ， 硅片的发展方向是越来越复杂：集成电路发展初期是只有逻辑芯片一种 ， 但是随着应用场景不断增多 ， 逻辑芯片、功率器件、模拟芯片、数模混合芯片 ， flash/Dram 存储芯片、射频芯片等等相继出现 ， 使得硅片在结构上出现了不同的形态 。 现在 ， 主要有以下三种：
PW（Polish Wafer）：抛光片 。 拉单晶后直接切割得到的硅片由于在光滑度或者翘曲度方面不尽完美 ， 所以首先要经过抛光处理 。 这种方式也是最原始硅片的处理方式 。
AW（Anneal Wafer）：退火晶圆 。 随着制程技术的不断发展 ， 晶体管特征尺寸的不断缩小 ， 抛光片的缺点也逐渐 暴露出来 ， 比如硅片表面局部的晶格缺陷 ， 硅片表面含氧量较高等 。 为了解决这些问题 ， 退火晶圆技术被开发出来 。 在抛光后 ， 将硅片放在充满惰性气体的炉管中（一般为氩气） ， 进行高温退火 。 这样既可以修复硅片表面晶格缺陷 ， 同时也可以减少表面含氧量 。
EW（Epitaxy Wafer）：外延层硅片 。 随着集成电路的应用场景不断增加 ， 由硅片厂制造的标准硅片在电学特性上已经不能满足某些产品的要求 。 同时 ， 通过热退火减少的晶格缺陷也不能满足越来越小的线宽需求 。 这就衍生出了外延层硅片 。 通常的外延层就是硅薄膜 。 是在原始硅片的基础上 ， 利用薄膜沉积技术 ， 生长一层硅薄膜 。 由于在硅外延中 ， 硅基片是作为籽晶的模式存在 ， 所以生长外延层会复制硅片的晶体结构 。 由于衬底硅片是单晶 ， 所以外延层也是单晶 。 但是由于没有被抛光 ， 所以生长完成后的硅片表面的晶格缺陷可以被降到很低 。
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