晶圓製造到底有多難?全球15家矽晶圓廠壟斷95%以上市場

近年來，國家對半導體行業越來越重視，已經將集成電路作為重點發展的戰略產業之一。作為全球最重要的電子製造基地，中國的電子應用市場巨大，有著廣闊的前景。儘管如此，我們仍不能過於驕傲，畢竟還有很多的技術等待著去突破，除了晶片相關技術，晶圓的製造也是相對薄弱的環節。

電子產業有一個特點，越往上遊企業相對越少，技術難度越大，晶圓是造晶片的原材料，屬於晶片的上遊。晶片、晶圓製造都屬於 「航天級」的尖端技術，難度係數均是最高的一級，晶圓製造是比造晶片還要難的一門技術。如果把晶片比作宇宙飛船，那麼晶圓就是航空母艦了，沒幾家能造得出來。

據OFweek電子工程網獲悉，全球能製造高純度電子級矽的企業不足100家，其中主要的15家矽晶圓廠壟斷95%以上的市場。在晶圓製造上，沒有所謂的「百花齊放」，有的是巨頭們的「孤芳自賞」，正是如此，全球的晶圓也是持續漲價，市場呈現一種繁榮景氣的形勢。

矽晶圓製造的三大步驟

矽在自然界中以矽酸鹽或二氧化矽的形式廣泛存在於巖石、砂礫中，矽晶圓的製造有三大步驟：矽提煉及提純、單晶矽生長、晶圓成型。

1、矽提煉及提純

矽的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個溫度超過兩千攝氏度的並有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發生還原反應得到冶金級矽，然後將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫反應，生成液態的矽烷，然後通過蒸餾和化學還原工藝，得到了高純度的多晶矽。

2、單晶矽生長

（用直拉法製造晶圓的流程圖，由OFweek電子工程網製作）

晶圓企業常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶矽放在石英坩堝中，並用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，使多晶矽熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。

為了形成單晶矽，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著多晶矽熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，並且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉，同時慢慢地、垂直地由矽熔化物中向上拉出。

熔化的多晶矽會粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。用直拉法生長後，單晶棒將按適當的尺寸進行切割，然後進行研磨，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時候晶圓片就製造完成了。

晶圓製造廠把這些多晶矽融解，再在融液裡種入籽晶，然後將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶矽晶棒，由於矽晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的矽原料中逐漸生成。

3、晶圓成型

完成了上述兩道工藝， 矽晶棒再經過切段，滾磨，切片，倒角，拋光，雷射刻，包裝後，即成為集成電路工廠的基本原料——矽晶圓片，這就是「晶圓」。

晶圓製造到底難在哪？

晶圓的製造工藝倒不是很複雜，其難度在於半導體產品對晶圓的純度要求很高，純度需要達到99.999999999%或以上。

以矽晶片為例，矽從石英砂裡提煉出來，在高溫下，碳和裡面的二氧化矽發生化學反應只能得到純度約為98%的純矽，這對於微電子器件來說不夠純，因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感，因此需要進一步提純。

而在進行矽的進一步提純工藝中，光刻技術的難度很高，在晶圓製造工藝中，光刻是必須經歷的一個步驟。