Wafer de silício: é difícil de fabricar e possui barreiras altas. Este artigo apresenta especificamente o processo de fabricação da tecnologia de wafer de silício, a análise de custos de fabricação e as principais barreiras.
Processo de tecnologia de fabricação de wafer de silício
A matéria-prima das bolachas de silício é o quartzo, comumente conhecido como areia, que pode ser extraído diretamente na natureza. O processo de fabricação do wafer pode ser concluído em algumas etapas. Purificação de desoxigenação, extração de silício policristalino, lingotes de silício monocristalino (hastes de silício), moagem de barril, corte de wafer, polimento de wafer, recozimento, teste, embalagem e outras etapas.
Desoxidação e purificação: A matéria-prima da planta de fabricação de wafer de silício é o minério de quartzo, e a principal matéria-prima do minério de quartzo é o dióxido de silício (SiO2). Primeiro, o minério de quartzo é purificado por desoxigenação, os principais processos são classificação, separação magnética, flotação, desgaseificação em alta temperatura e assim por diante. Retire principalmente as principais impurezas do minério, como ferro, alumínio e outras impurezas. Polissilício de refino: Após obter SiO2 relativamente puro, ele passa por uma reação química para produzir silício de cristal único. A principal reação é SiO2 + CàSi + CO, e o monóxido de carbono (CO) é um gás que irá volatilizar diretamente após a conclusão da reação. Portanto, apenas os cristais de silício permanecem. O silício neste momento é silício policristalino e é silício bruto, e existem algumas impurezas como ferro, alumínio, carbono, boro, fósforo, cobre e outros elementos. Para filtrar o excesso de impurezas, o silício bruto deve ser decapado. Os ácidos comumente usados são o ácido clorídrico (HCl), o ácido sulfúrico (H2SO4), etc. O teor de silício após imersão em ácido é geralmente superior a 99,7%. No processo de decapagem, embora o ferro, o alumínio e outros elementos também sejam dissolvidos em ácido e filtrados. Mas o silício também reage com o ácido para produzir SiHCl3 (triclorossilano) ou SiCl4 (tetracloreto de silício). Mas essas duas substâncias são gasosas, portanto, após a decapagem, o ferro, o alumínio e outras impurezas originais foram dissolvidos no ácido, mas o silício se tornou gasoso. Finalmente, o SiHCl3 ou SiCl4 gasoso de alta pureza é reduzido com hidrogênio para obter polissilício de alta pureza, SiHCl3 + H2àSi + 3HCl, SICl4 + 2H2àSi + 4HCl. Neste momento, o polissilício para produção é obtido.
CZ (Método Straight Pull)
Os wafers de silício do método Czochralski (CZ) são usados principalmente em chips lógicos e de memória, respondendo por cerca de 95% do mercado; o método Czochralski originou-se pela primeira vez em 1918, quando Czochralski extraiu filamentos finos do metal fundido, por isso também é chamado de método CZ. Esta é a tecnologia principal para a produção de silício monocristalino hoje. O processo principal é colocar silício policristalino no cadinho, aquecê-lo para derreter e, em seguida, prender um pedaço de cristal de semente de silício de cristal único, suspendê-lo no cadinho e inserir uma extremidade do fundido até que derreta quando puxado em linha reta, e em seguida, gire-o lentamente. Dessa forma, a interface entre o líquido e o sólido se condensará gradualmente para formar um único cristal. Uma vez que todo o processo pode ser visto como um processo de replicação do cristal semente, os cristais de silício gerados são de silício de cristal único. Além disso, a dopagem do wafer também é realizada no processo de extração do monocristal, e normalmente existem dois tipos de dopagem em fase líquida e dopagem em fase gasosa. Dopagem em fase líquida refere-se à dopagem de elementos do tipo P ou tipo N. No processo de puxar o cristal único, esses elementos podem ser puxados diretamente para a barra de silício.
Barrilhamento de diâmetro: Uma vez que é difícil controlar o diâmetro de hastes de silício de cristal único no processo de puxar cristais individuais, a fim de obter hastes de silício de diâmetro padrão, como 6 polegadas, 8 polegadas, 12 polegadas e assim por diante. Depois que o cristal único é puxado, o diâmetro do lingote de silício será inclinado, e a superfície da haste de silício girada será lisa e o erro de tamanho será menor. Corte e chanfragem: Após a obtenção do lingote de silício, o wafer é cortado, o lingote de silício é colocado em uma máquina de corte fixa e o corte é realizado de acordo com o programa de corte definido. Devido à pequena espessura do chip de silício, a borda do chip de silício após o corte é muito afiada. O objetivo do chanfro é formar uma aresta lisa. O chip de silício chanfrado tem uma tensão central mais baixa, o que o torna mais forte e não é fácil de ser quebrado na futura fabricação do chip. Polimento: O objetivo principal do polimento é tornar a superfície do wafer mais lisa, mais lisa sem danos, e garantir a uniformidade da espessura de cada wafer. Pacote de teste: Após obter o wafer de silício polido, é necessário testar as características elétricas do wafer de silício, como resistividade e outros parâmetros. A maioria das fábricas de wafer de silício fornece serviços de wafer epitaxial.Se os wafers epitaxiais forem necessários, o crescimento do wafer epitaxial é realizado. Se os wafers epitaxiais não forem necessários, eles serão embalados e enviados para outras fábricas ou fábricas de wafer epitaxial.
FZ (método de fusão por zona)
Os wafers de silício de fusão por zona (FZ) são usados principalmente em alguns chips de energia, representando cerca de 4% do mercado; os wafers de silício feitos com FZ (fusão por zona) são usados principalmente como dispositivos de energia. Além disso, o tamanho das pastilhas de silício é principalmente de 8 e 6 polegadas. Atualmente, cerca de 15% das pastilhas de silício são feitas por fusão por zona. Comparado com wafers de silício feitos pelo método CZ, a maior característica do método FZ é que a resistividade é relativamente alta, a pureza é maior e pode suportar alta voltagem. Os wafers de silício do dispositivo raramente são usados em circuitos integrados.
O método de fusão por zona é dividido em três etapas para fazer barras de silício monocristalino: aquecer o silício policristalino, entrar em contato com o cristal semente e girar o cristal único para baixo. Em uma câmara de forno sob vácuo ou ambiente de gás inerte, um campo elétrico é usado para aquecer a haste de polissilício até que o polissilício na área aquecida derreta para formar uma zona fundida. O cristal semente é então usado para entrar em contato com a zona de fusão e derreter. Finalmente, ao mover a posição de aquecimento do campo elétrico, a zona de fusão no polissilício é continuamente movida para cima, enquanto o cristal semente é lentamente girado e esticado para baixo para formar gradualmente uma única haste de silício de cristal. Como os cadinhos não são usados no método de fusão por zona, muitas fontes de poluição são evitadas, e o cristal único usando farad de fusão por zona tem as características de alta pureza.
Análise do custo de fabricação do wafer de silício
Custo de fabricação de wafer de silício de nova energia
O custo dos wafers de silício fotovoltaico pode ser dividido entre o custo do material de silício, o custo do crescimento do cristal e o custo do corte. Dentre eles, o custo do material de silício é o principal consumidor de custo, respondendo por cerca de 50% do custo total. Como o silício monocristalino e o silício policristalino têm requisitos diferentes para o processo de crescimento do cristal, a principal diferença de custo entre os wafers de silício monocristalino e os wafers de silício policristalino é o processo de crescimento do cristal. No processo de fatiamento, os fabricantes de pastilhas de silício podem aumentar a quantidade de pastilhas cortadas para dividir o custo. Custos com equipamentos, eletricidade, gás especial e mão de obra no processo de crescimento do cristal.
Custo de fabricação do silício monocristalino: Em termos de custo e fatiamento do silício, a diferença entre o silício monocristalino e o silício policristalino não é muito grande. O elo de crescimento do cristal é a principal diferença de custo. Do ponto de vista da estrutura de custos dos wafers de silício monocristalino, o custo do material de silício é responsável por cerca de 50%, o custo de puxar as hastes de silício monocristalino é responsável por cerca de 33% do custo total e o custo do corte por cerca de 17% . Na estrutura de custos do processo de extração de cristal único, os custos do cadinho e os custos com eletricidade são as principais fontes de custo, e os dois juntos respondem por cerca de 45%. O custo restante é dominado pelo campo térmico de grafite e despesas de depreciação. Em termos de custo do cadinho, o cadinho de quartzo para puxar o cristal único irá rachar ou quebrar após alta temperatura, resfriamento e outras etapas, tornando impossível usá-lo novamente. Além disso, como a extração de monocristais tem altos requisitos para a limpeza do cadinho, os cadinhos usados não podem garantir a limpeza, e o silício monocristalino tem requisitos mais elevados para a qualidade do cadinho. Portanto, o cadinho para puxar cristais únicos é caro e não pode ser reutilizado. Em termos de custos de eletricidade, os fabricantes domésticos de wafer de semicondutor ou fabricantes de wafer fotovoltaico construíram fábricas em áreas com custos de eletricidade relativamente baixos, como Mongólia Interior, Yunnan e Guizhou, o que leva à redução de custos. A redução de custos das pastilhas de silício monocristalino vem principalmente de três aspectos. Primeiro, aumente a produção de um único forno e a depreciação de consumíveis e equipamentos descartáveis, como cadinhos diluídos. Em segundo lugar, o custo da eletricidade é reduzido. Terceiro, a vantagem de preço da compra a granel de materiais de silício
Custo de fabricação do silício policristalino: Não há necessidade de puxar o cristal único durante o processo de fabricação do silício policristalino, portanto, o custo do crescimento do cristal é relativamente baixo. O custo do crescimento do cristal representa apenas 12% do custo total. A principal fonte de custo é o custo do material de silício, que representa cerca de 52% do custo total. O segundo é o custo de corte, que responde por cerca de 29% do custo total. O campo térmico de grafite responde pela maior proporção do custo do crescimento do polissilício, chegando a 28%. Seguido de cadinho, depreciação e custos de eletricidade, representando 16,7%, 16,7% e 13,9%, respectivamente. Uma vez que os wafers de silício policristalino são usados principalmente em produtos fotovoltaicos e têm uma tendência a serem gradualmente substituídos por wafers de silício monocristalino, não há muito espaço para redução de custos dos wafers multicristalinos.
Custo de fabricação de wafer de semicondutor
A estrutura de custos dos wafers de silício semicondutor é mais complicada: os wafers de silício semicondutor têm requisitos mais elevados em termos de pureza e características elétricas do que os wafers de silício de nova energia, portanto, mais etapas de purificação e fornecimento de matérias-primas são necessários no processo de fabricação, resultando em mais diversificação tipos de fabricação de matérias-primas. Portanto, a proporção dos custos do material de silício é relativamente reduzida, mas a proporção dos custos de fabricação aumentará relativamente. Ao mesmo tempo, em comparação com o custo das pastilhas de silício de nova energia, o material direto das pastilhas de silício semicondutor é o principal componente do custo operacional: para as pastilhas de silício semicondutor, o custo da matéria-prima é o custo principal, respondendo por cerca de 47% do custo do negócio principal. A segunda são as despesas de fabricação, representando cerca de 38,6%. Semelhante à indústria de fabricação de semicondutores, a indústria de wafer de silício é uma indústria de capital intensivo com alta demanda por investimentos em ativos fixos, e maiores despesas de fabricação serão incorridas devido à depreciação dos fixos ativos como máquinas e equipamentos. Por fim, os custos com mão de obra direta representaram cerca de 14,4%. O polissilício é o principal componente do custo das matérias-primas: Entre os custos das matérias-primas para a fabricação do wafer de silício, o polissilício é a principal matéria-prima, respondendo por cerca de 30,7%. O segundo são os materiais de embalagem, com cerca de 17,0%. Como os wafers de silício semicondutor têm altos requisitos de limpeza e vácuo, especialmente para os wafers de silício, que são oxidados com extrema facilidade, os requisitos de embalagem serão muito maiores do que os dos wafers de silício de nova energia. Portanto, na estrutura de custos, os materiais de embalagem representam uma proporção relativamente alta. O cadinho de quartzo é responsável por aproximadamente 8,7% dos custos da matéria-prima. Cadinhos de quartzo usados na fabricação de pastilhas de silício semicondutor também são cadinhos descartáveis, mas as características físicas e térmicas do cadinho são mais exigentes. Fluido de polimento, rebolos e almofadas de polimento respondem por 13,8% do total e são utilizados principalmente no processo de polimento de pastilhas de silício.
Os custos de água e eletricidade representam cerca de 15% dos custos de fabricação: Nos custos de fabricação, o custo total de água e eletricidade
representa cerca de 15% dos custos de fabricação totais, dos quais a eletricidade custa cerca de 11,4% e os custos de água cerca de 3,4%. Em termos do montante correspondente, de acordo com os dados financeiros de 2018 do Silicon Industry Group, o custo total com eletricidade e água equivale ao custo dos materiais de embalagem, representando cerca de metade dos materiais polissiliciosos. O custo da eletricidade é ligeiramente superior ao do cadinho de quartzo em cerca de 20%.
Principais barreiras para a fabricação de wafer de silício
Os wafers de silício têm barreiras relativamente altas, especialmente para os wafers de semicondutores. Existem quatro barreiras principais: barreiras técnicas, barreiras de certificação, barreiras de equipamento e barreiras de capital.
Barreiras técnicas: Os indicadores técnicos dos wafers de silício são relativamente grandes. Além do tamanho comum, espessura do wafer polido, etc., há também empenamento, resistividade e curvatura do wafer de silício. Para wafers de silício de 300 mm principais, devido aos altos requisitos para a uniformidade de wafers de silício em processos de fabricação avançados, em comparação com wafers de 200 mm, planicidade, empenamento, curvatura, resíduos de metal na superfície e outros parâmetros foram adicionados para monitorar 300 mm. Requisitos de qualidade para silício wafers. Em termos de pureza, os wafers de silício de processo avançado requerem cerca de 9N (99,9999999%) -11N (99,999999999%), que é a principal barreira técnica para os fornecedores de wafer de silício. O wafer de silício é um produto altamente customizado; a pureza é o parâmetro mais básico do wafer de silício e também é a principal barreira técnica. Além disso, os wafers de silício não são produtos universais e não podem ser copiados. As especificações de grandes wafers de silício em várias fundições são completamente diferentes, e os diferentes usos de vários produtos finais também levarão a requisitos e especificações completamente diferentes para wafers de silício. Isso exige que os fabricantes de pastilhas de silício projetem e fabricem diferentes pastilhas de silício de acordo com os diferentes produtos do cliente final, o que aumenta a dificuldade de fornecimento da pastilha de silício.
Barreiras de certificação: As empresas fabricantes de chips têm requisitos rigorosos para a qualidade de várias matérias-primas e também são muito cautelosas na seleção de fornecedores. Existem grandes barreiras para entrar na lista de fornecedores de empresas fabricantes de chips. Normalmente, as empresas de fabricação de chips exigem que os fornecedores de wafer de silício forneçam alguns wafers de silício para produção experimental, e a maioria deles é usada para wafers de teste em vez de wafers de produção em massa de wafer. Depois de passar nos wafers de teste, os wafers de produção em massa serão produzidos experimentalmente em pequenos lotes. Depois de passar na certificação interna, a empresa de fabricação de chips enviará os produtos aos clientes downstream. Após obter a certificação do cliente, o fornecedor do wafer de silício será finalmente certificado. Assine o contrato de compra. Leva muito tempo para que os produtos das empresas de wafer de semicondutores entrem na cadeia de suprimentos das empresas fabricantes de chips, e o ciclo de certificação mais curto para novos fornecedores também leva de 12 a 18 meses. Além disso, as barreiras de certificação de wafers de teste para wafers produzidos em massa: no momento, a maioria dos wafers domésticos de 12 polegadas permanece com o fornecimento de wafers de teste, mas os procedimentos de certificação para wafers de teste e os procedimentos de certificação para wafers produzidos em massa são completamente diferentes A certificação para wafers de silício produzidos em massa Os padrões são mais rigorosos. Como o silício de teste não fabrica chips, ele só precisa ser certificado pela própria fundição e só precisa ser certificado no local de fabricação atual. Mas para wafers de silício produzidos em massa, ele deve ser certificado pelo cliente sem fábrica do terminal e deve ser monitorado em cada etapa de todo o processo de fabricação antes de poder ser fornecido em lotes. Em circunstâncias normais, a fim de manter a estabilidade do fornecimento de pastilhas de silício e rendimento do chip. Uma vez que um fabricante de wafer e um fornecedor de wafer de silício tenham estabelecido uma relação de fornecimento, eles não mudarão facilmente de fornecedor, e ambas as partes estabeleceram um mecanismo de feedback para atender às necessidades individuais, e a aderência entre fornecedores de wafer de silício e clientes continua a aumentar. Se um novo fabricante de wafer de silício se juntar às fileiras de fornecedores, ele deve fornecer cooperação mais estreita e maior qualidade de wafer do que o fornecedor original. Portanto, na indústria de wafer de silício, os fornecedores de wafer de silício e fabricantes de wafer são mais pegajosos, e é mais difícil para novos fornecedores romperem as barreiras do equipamento pegajoso: o equipamento principal para a fabricação de wafers de silício é o forno de cristal único, que pode ser descrito como o wafer de silício. "Litografia". Os fornos de cristal único dos principais fabricantes internacionais de wafer de silício são todos fabricados por eles próprios. Por exemplo, os fornos de cristal único da Shin-Etsu e SUMCO são projetados e fabricados independentemente pela empresa ou por meio de uma subsidiária, que não pode ser adquirida por outros fabricantes de pastilhas de silício. Outros grandes fabricantes de wafer de silício têm seus próprios fornecedores independentes de forno de cristal único e assinaram acordos de confidencialidade estritos. Como resultado, os fabricantes externos de wafer de silício não podem comprar ou só podem comprar fornos de cristal simples comuns. Para fornos de cristal único de alta especificação Indisponível. Portanto, a barreira do equipamento é também a razão pela qual os fabricantes nacionais não podem entrar nos principais fornecedores de wafer de silício no mundo. Barreiras financeiras: O processo de fabricação de wafers de silício semicondutor é complexo, exigindo a compra de equipamentos de produção avançados e caros, além de constantes modificações e depurações de acordo com as diferentes necessidades dos clientes. Devido aos altos custos fixos, como depreciação do equipamento, mudanças na demanda downstream têm um impacto maior na taxa de utilização da capacidade das empresas de wafer de silício e, portanto, têm um impacto maior nos lucros das empresas de fabricação de wafer de silício. Em particular, as empresas que são novas na indústria de wafer de silício quase sempre estão perdidas antes de atingir a escala de embarques e têm altos requisitos para barreiras de capital. Além disso, como a fábrica de wafer tem um longo ciclo de certificação para wafers de silício, ela requer investimento contínuo dos fabricantes de wafer de silício durante esse período, e uma grande quantidade de capital também é necessária.