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電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，越往上游企業(yè)相對越少，技術(shù)難度越大，晶圓是造芯片的原材料，屬于芯片的上游。芯片、晶圓制造都屬于 “航天級”的尖端技術(shù)，難度系數均是最高的一級，晶圓制造是比造芯片還要難的一門(mén)技術(shù)。如果把芯片比作宇宙飛船，那么晶圓就是航空母艦了，沒(méi)幾家能造得出來(lái)。

據OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，全球能制造高純度電子級硅的企業(yè)不足100家，其中主要的15家硅晶圓廠(chǎng)壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上，沒(méi)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(jià)，市場(chǎng)呈現一種繁榮景氣的形勢。

硅晶圓制造的三大步驟

硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(cháng)、晶圓成型。

1、硅提煉及提純

硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應得到冶金級硅，然后將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫反應，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。

2、單晶硅生長(cháng)

(用直拉法制造晶圓的流程圖，由OFweek電子工程網(wǎng)制作)

晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著(zhù)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，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì )產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應。

為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著(zhù)多晶硅熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著(zhù)籽晶作反方向旋轉，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅會(huì )粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(cháng)上去。用直拉法生長(cháng)后，單晶棒將按適當的尺寸進(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。

晶圓制造廠(chǎng)把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。

3、晶圓成型

完成了上述兩道工藝， 硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠(chǎng)的基本原料——硅晶圓片，這就是“晶圓”。

晶圓制造到底難在哪?

晶圓的制造工藝倒不是很復雜，其難度在于半導體產(chǎn)品對晶圓的純度要求很高，純度需要達到99.999999999%或以上。

以硅晶片為例，硅從石英砂里提煉出來(lái)，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應只能得到純度約為98%的純硅，這對于微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因為半導體材料的電學(xué)特性對雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此需要進(jìn)一步提純。

而在進(jìn)行硅的進(jìn)一步提純工藝中，光刻技術(shù)的難度很高，在晶圓制造工藝中，光刻是必須經(jīng)歷的一個(gè)步驟。

光刻工藝是晶圓制造最大的“一道坎”

晶圓制造中的光刻是指在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結構臨時(shí)“復制”到硅片上的過(guò)程。

1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經(jīng)流程

由于晶圓生產(chǎn)工藝中，其表面會(huì )形成薄膜，這需要光刻技術(shù)將它去掉。在晶圓制造過(guò)程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內構成，這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的，并且結合生成薄膜及去除特定部分，通過(guò)光刻工藝過(guò)程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。

2、光刻確定尺寸，馬虎不得

光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸，光刻過(guò)程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。

3、高端光刻機產(chǎn)能?chē)乐夭蛔?/p>

光刻機也叫掩模對準曝光機，曝光系統，光刻系統等，常用的光刻機是掩膜對準光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機市場(chǎng)，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機的不足五家，在高端光刻機市場(chǎng)，中國企業(yè)幾乎全軍覆沒(méi)。

15家硅晶圓供應商壟斷95%以上市場(chǎng)

正是由于晶圓制造難度大，客戶(hù)對純度與尺寸的要求很高，全球的主要15家硅晶圓供應商壟斷了95%以上市場(chǎng)。

以信越半導體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng )、LG等為代表的晶圓企業(yè)幾乎供應了全球八成的半導體企業(yè)，而且長(cháng)期處于供不應求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠(chǎng)臺灣環(huán)球晶圓為例，其晶圓訂單到2020年方可消化完全。

由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等原因，臺灣和日本的晶圓企業(yè)占據了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上，它們的優(yōu)勢非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。

中國這幾年對晶圓生產(chǎn)的重視，誕生了許多晶圓企業(yè)，逐步形成了長(cháng)三角、中西部為核心、輻射周邊的局面，目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的實(shí)力。據悉，12英寸晶圓方面也是好消息不斷，上海新昇近日表示，他們的12英寸晶圓已通過(guò)認證，預計年底能達到每個(gè)月10萬(wàn)片的產(chǎn)能。

綜述：隨著(zhù)AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，晶圓市場(chǎng)會(huì )更加緊俏，尤其是大尺寸、高純度的晶圓，巨大的市場(chǎng)前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動(dòng)。未來(lái)，晶圓制造工藝會(huì )越來(lái)越透明化，對于初創(chuàng )企業(yè)而言，通過(guò)學(xué)習“前輩們”的經(jīng)驗，將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決，挑戰巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場(chǎng)不應該只是這幾家的天下。