硅片，最知产业的冷暖

发表于： 2020年12月11日 2020年12月11日
分类：是说芯语

你看那硅片，它又大又圆，照出了整个产业的冷暖。

2020年的奇观之一，陆家嘴学习半导体的，比张江园区还要多。搞芯片培训的，比搞投资的，提前迈入小康社会。

半导体的专家们，经过不懈的努力，熟读近百篇行业深度研究报告，看过各种形象生动的沙子变芯片动画视频，基本获得了电大函授同等学历。

撩拨的我自己，恨不得把当年的半导体物理/模电数电/微电子等价值60分的知识量，从大脑的DRAM里再调出来。

这人生第二学历的获取、对半导体知识孜孜不倦的追求，一切都要感谢美国前总统特朗普。

总统先生，退休后来中国发展吧，我们保证打不死你。

不过，即便成了专家，知道硅是半导体基本材料，知道硅锭是拉出来的硅片是切出来的，知道硅片在芯片制造材料中成本占比近40%，但大部分都不知道，这又大又圆的硅片，到底手感如何，是嘎嘣脆的，还是柔韧的……

倘若再问一句，大硅片有多大，两只手一比划，怎么也得有世纪大道地铁西南口的马兰拉面碗口那么大吧……

但毫无疑问，所有人都知道，我们的大硅片产业也被卡住脖子了。

2019年底修订的《瓦森纳协议》，就新增了一条关于12英寸大硅片技术的出口管制内容，直指中国集成电路14nm制程工艺，及上游适用于14nm工艺的大硅片。

与实际俱进的瓦森纳协议，看到了国内晶圆厂纷纷突破14nm工艺，所以直接封锁上游的原材料。

封锁的还不只拉单晶硅锭的设备材料，更是从切割抛光好的硅片性能参数上进行了限制。

比如上文英语中非常具体的“SFQR less than or equal to 20nm at any site of 26mm*8mm on the front surface of the wafer and an edge exclusion less than or equal to 2mm”，翻译成人话就是“任意26mm*8mm面积内局部平整度小于等于20nm，无效边缘区域小于等于2mm”。

就是专门针对适用于14nm制程工艺的各种硅片性能参数。

擒贼先擒王，打蛇打七寸，老外学的倍儿溜，直接打到12寸了。

敌人封锁的，必然是我们渴求的。

在大硅片方面（本文特指12英寸/300mm硅片），我国需求量的90%以上依赖进口，而且外资基本都不在国内生产。全球前五大企业是日本ShinEtsu（信越化学）、日本SUMCO（胜高）、德国Siltronic（世创）、中国台湾环球晶圆、韩国SK Siltron，Top 5合计所占市场份额达到95%。

感谢沪硅产业（688126）、中环股份（002129）、立昂微（605358）友情出镜，从这个角度看，你们是祖国的希望。

这境况比光刻机稍稍好点儿，至少不是Top 1市场份额高达100%（高端EUV光刻机）。

但硅片也是最关键材料啊，我们称之为整个集成电路产业的根基，是几乎所有芯片的载体。没了它，巧妇难做无米之炊。

不过我们大硅片落后，是不争的事实，这玩意儿并没有想象中那么容易造，也不是随便拉出个大硅棒，切巴切巴剁了，研磨抛光一下就能送到晶圆厂上产线。

我们搞硅片的历程，其实也不晚。最早在1958年，被誉为“中国半导体材料之母”的林兰英院士，美国获得博士学位后，辗转回国，工作于中科院，经过不懈努力，拉出了中国第一根硅单晶：

长8厘米、直径5.08厘米的单晶硅棒

折算一下，假如切割完成，已经算是2英寸硅片了。那时候的单晶硅棒的水平，大体相当于美国1953年时的水平，差距只有七八年的样子。

也就是在同一年，天津市半导体材料厂成立，天津市环欧半导体材料技术有限公司前身。而环欧半导体，则是前面友情出镜的中环股份的全资子公司。

从这个角度看，我们搞硅片的时间并不晚，基本和国外同步。这也成了诸多喜欢唱反调的自媒体，经常搬出来的铁证，他们说：

中国半导体落后，根本就不是因为起步晚，而是作的。

这忽视了一个问题，半导体产业是一个非常复杂的链条，单靠一个人，一个点的突破，是很难实现一个产业的全面发展的。特别是在那个动荡的年代，吃顿饱饭都成问题，谁还有心思去提炼砂子啊……

后来的改革开放，不管是“造不如买，买不如租”，还是“技工贸，贸工技”的争论，仔细看看其实都是事后诸葛亮。那个社会大环境下，全国人民铆足劲儿的，都是为了先解决吃饭的问题。

所幸的是，这根2英寸硅棒的星星之火，也算在中环股份传承了下来。

大硅片之难，难于上青天。

硅片制造工艺目前主流有两种，一种叫直拉法（CZochralski，CZ法），一种叫区熔法（Float-Zone，FZ）。

直拉法（CZ）比较有意思，是用波兰科学家切克劳斯基（J·Czochralski）名字命名。1918年，Czochralski发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文，但并没有拉单晶，而是在实验室从熔融金属中拉制细灯丝。即便如此，CZ法还是奠定了硅晶体生长的理论基础。

想象一下，大概就是这个模样吧：

直到几十年后，戈登.K.蒂尔才真正让CZ法用于半导体晶体的拉制上，拉制的是锗单晶——把一个锗“晶籽”悬浮在熔融锗的坩埚中，慢慢地“拉出来”，最终形成一个又长又窄的锗单晶体。

这跟当前流行的CZ法拉制硅单晶棒的原理类似：将高纯度多晶硅在坩埚中融化，用一块单晶硅“籽晶”，悬浮在坩埚之上，一端插入熔体直到融化，缓慢旋转并向上提拉，一边拉一边冷凝形成单晶硅棒。

区熔法（FZ），则是另外一种拉硅棒的方法，与直拉法在坩埚中融化多晶硅不同，区熔法是一边拉一边融化多晶硅棒，籽晶处在多晶硅棒的下方。

自下而上，将一根多晶硅棒，变成单晶硅棒。

敲黑板，总结一下：直拉法（CZ）和区熔法（FZ）各有特点，也各有优势。

直拉法（CZ）更占主流一些，市场占比约为95%，主要用在逻辑，存储器芯片中，更容易拉出更粗的硅棒，但由于坩埚的存在，引入污染源，纯度相对来说存在瓶颈；

区熔法（FZ）市场占比约为5%，主要用在功率芯片中，但受限于工艺特点，很难拉出大直径硅棒，尺寸以6英寸、8英寸为主，但因为在真空状态下，不需要坩埚融化，因此拉出的硅棒纯度更高。

当然了，拉出单晶硅棒，只是万里长征的第一步，还需要滚磨、切片、倒角、抛光、外延、键合、清洗、测试包装等工艺步骤，才能制造成为各种类型的半导体硅片，每一步骤都有非常高的要求。

形象解释下，滚磨就是将拉好的外形凹凸不平的，像米其林小人一样的硅棒，打磨光滑，直径均匀；切片就是切吧切吧剁了，切成厚度不超过1mm的硅片；倒角就是将切好的薄片的锋利边缘打磨光滑；抛光就是将硅片的表面变得更加光滑，厚度一致；外延就是通过利用薄膜沉积技术，在抛光片上再生长一层硅薄膜，减低硅片表面的晶格缺陷……

这玩意儿不像逻辑芯片，再复杂的构造，堆上足够多的工程师，分配好功能模块，总能解决，就算解决不了，还有芯愿景的工具来帮忙嘛……

而拉硅棒，切硅片这种事儿，都是些手艺活儿，同样的设备，同样的环境，老师傅拉出来的，就跟新手不一样，人多了也无益。

所有老师傅的手艺，都要解决相同的问题，一个是要大，一个是要纯。

“大”都能理解，但靠那么点儿一籽晶，拉出来这么粗，这么长的一个大棒，谈何容易……中间的工艺控制是一个技术含量相当高的技术活儿。