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国产芯片破局,化工工程师能做些什么?附芯片化学加工工艺大盘货

作者:亚博在线下载 时间:2021-09-11 00:29
本文摘要:最近,美商务部出台管制禁令,将从EDA软件、半导体设备到晶圆代工等各方面升级对华为的限制,一时间,芯片断供问题连续发酵,国产替代的呼声愈发强烈。然而,芯片的制造是一个极其庞大的系统工程,需要微电子、物理、机械、质料、化学等众多学科领域的专业技术。 今天,我们就从一名化工工程师的角度,一窥我国芯片国产化之路。电子与化工的邂逅1965年,戈登·摩尔预测,集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18个月便会增加一倍,性能也会增长一倍,这即是IT届著名的摩尔定律。

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最近,美商务部出台管制禁令,将从EDA软件、半导体设备到晶圆代工等各方面升级对华为的限制,一时间,芯片断供问题连续发酵,国产替代的呼声愈发强烈。然而,芯片的制造是一个极其庞大的系统工程,需要微电子、物理、机械、质料、化学等众多学科领域的专业技术。

今天,我们就从一名化工工程师的角度,一窥我国芯片国产化之路。电子与化工的邂逅1965年,戈登·摩尔预测,集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18个月便会增加一倍,性能也会增长一倍,这即是IT届著名的摩尔定律。

3年后,身为物理化学博士的摩尔开办了英特尔公司。摩尔的继任是传奇CEO安德鲁·葛洛夫,同样也有一条以他命名的著名定律——安迪比尔定律:“Andy gives , Bill takes away”,指的是无论英特尔提供多高的硬件性能,都市被微软很快地消耗掉。

安迪同样也是一名化学工程博士。在半导体行业的发展与生长历程中,化学化工界的前辈们做出了许多重大孝敬,特别是在先进半导体质料的开发以及相关制造工艺领域有着诸多开拓性结果。现如今,芯片尺寸越做越小,工艺精度要求越来越高,这又对运用化学工程知识在纳米尺度上寻求突破带来了的全新挑战。芯片制造工艺芯片的加工工艺本质上就是一个化工历程,而Fab也可以看作是一座大型的细密化工厂,它将原料硅经由多种物理和化学历程加工为集成电路产物,制造历程中还需要用到种种高纯的气体和液体。

在芯片的制造历程中涉及到许多化学工程观点,好比生产晶棒需要相识流体力学、传热、传质以及结晶,沉积历程涉及到动力学知识等等。芯片制造工艺流程硅片制造芯片的制造是从沙子开始的,在电弧炉中用碳还原石英砂制得纯度为98~99%的粗硅(SiO2+2C→Si+2CO)。粗硅还需经由提纯和精炼生产纯度要求为99.999999999%(别数了,11个9)的多晶硅,一般有改良西门子法(SiHCl3+H2→Si+3HCl)和硅烷法(SiH4→Si+2H2),多晶硅通过拉制获得单晶硅棒,切割后便可获得晶圆基片。

硅棒生产薄膜制备芯片的生产是一个做减法的工艺历程,即先将质料沉积在硅晶片外貌,然后再有选择性地刻蚀掉不需要的部门,保留之前设计好的图案,便可获得所需的电路。晶圆基片经高纯试剂清洗后,首先需要在基片外貌形成一层SiO2薄膜,薄膜制备可以通过氧化、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等方法举行。最传统的制膜工艺是热氧化法,即把晶片放入高温炉中加热,氧气在硅外貌起化学作用,形成匀称薄膜层(Si+O2→SiO2)。化学气相沉积(CVD)是使用气态的先驱反映物,通过原子、分子间化学反映,使得气态前驱体中某些身分剖析,而在基体上形成固态薄膜的技术。

好比硅烷在含氧气氛中在衬底外貌热剖析,并与氧气反映便可生成SiO2薄膜(SiH4+2O2→SiO2+2H2O)。气相沉积光刻蚀  芯片制造历程中,集成电路的形成主要依靠的是光刻和刻蚀(简称光刻蚀)。

光刻是在硅片外貌通过旋转离心匀称地在外貌涂敷上一层光刻胶,通过光学掩模版和曝光显影技术将设计好的电路图案投影到光刻胶上。然后以复制到光刻胶上的集成电路图形为掩膜,使用刻蚀技术对下层质料举行化学腐蚀。衬底薄膜外貌被光刻胶笼罩的部门不会被刻蚀,而未被笼罩的部门可准确可控地除去衬底外貌一定深度的薄膜物质,最终获得设计好的电路图案。

光刻蚀工艺原理刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀,湿法刻蚀是通过特定溶液与薄膜发生化学反映,好比硅刻蚀常用硝酸与氢氟酸的混淆溶液(3Si+4HNO3+18HF→3H2SiF6+4NO+8H2O);干法刻蚀则通过等离子体与薄膜发生化学反映,好比以Cl2刻蚀除去SiO2膜(Cl2→2Cl, Si+2Cl→SiCl2, SiCl2+2Cl→SiCl4)。掺杂  本征半导体中由于随机热振动而发生了少量的带负电的自由电子和带正电的空穴,其导电能力较差。但如果在其中掺入某种特定杂质成为杂质半导体后,导电性能将会发生质的变化。N-型和P-型半导体就是划分掺入了五价杂质元素和三价杂质元素的杂质半导体,从图中可以看出,每引入一个磷原子,便会发生一个自由电子,而每引入一个铝原子,便会增加一个空穴,导电能力因此而获得提高。

把N、P两种半导体放到一起就酿成了具有单向导电性的PN结,芯片其实就是直接在硅片上制作PN结和电路。所以在这里,掺杂的目的是为了改变半导体的电特性。

工业上,高温扩散和离子注入是两种主要的掺杂方式。好比,使用液态源的磷扩散历程中发生以下反映:4POCl3+3O2→2P2O5+6Cl2,P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷:2P2O5+5Si→4P+5SiO2。最后,再由溶剂或者气体等离子体除去光刻胶掩护层,便完成了一次工艺流程,芯片脱离集成电路厂送去封装和测试。由此可见,芯片在生产制造中涉及到大量的通报和反映工程等化工知识。

除此之外,化工工程师还为芯片生产缔造了至关重要的超净情况。当今半导体设备的净化要求可以说比食品加工更为严格,容不得一点杂质。晶圆生产需要在无尘的清洁室内举行,通过庞大的颗粒捕集和空气过滤系统,控制空气中的粉尘、微生物和各种气体含量,同时还要控制风量以维持室内一定的正压。

清洁室内身穿防护服的工程师  生产历程中使用的大量化学品同样可能会引入杂质,仅仅使用超高纯度的化学品是不够的,必须在整个供应链和生产流程中使用合适的提纯过滤、储运和流体处置惩罚设备。因此,化工工程师不仅需要掌握各种化学品纯化技术,还需在选型时保证各种容器、管道、阀门、泵等设备在生产中不会引入杂质。

好比,水是芯片制造历程中消耗的主要原质料,一座半导体制造厂的用水量堪比一座小都会,这些水需经由过滤、离子交流、膜分散等多道纯化工艺才可用作工艺用水,现在,半导体制造厂正致力于研发新的水净化和废水循环回用技术。风口上的电子化学品电子化学品又被称为电子化工质料,是指为电子工业配套的各种精致化工产物。俗话说,戎马未动,粮草先行,电子化学品就是半导体行业不行或缺的“粮草”。

大家可能都知道我国在光刻机等半导体设备领域被西方国家卡脖子,而处于上游的半导体质料同样高度依赖于美日等化工巨头,我国大硅片、靶材、CMP抛光垫、高端光刻胶等半导体质料的对外依存度高达90%以上。去年的日韩商业战,日本限制向韩国出口氟化聚酰亚胺、光刻胶、电子级氢氟酸这三种电子化学品,韩国半导体厂商的库存仅够保证一个月的供应。这次事件带给我们的启示不行谓不大,半导体质料的国产化同样是刻不容缓。我们看最近国家集成电路工业投资基金投资的企业,除了中芯、长江存储、紫光等芯片设计与制造公司,还能看到雅克科技、鑫华半导体质料、巨化等诸多化工企业的身影。

随着半导体制造产能加速向海内转移,国家扶持工业政策和基金麋集出台,半导体质料国产替代历程加速,相关精致化工质料或成为未来几年中化工行业的风口。下面我们一起来看一看有哪些半导体质料以及它们的国产化历程。预测差别半导体质料国产化历程存在差异晶圆质料现在晶圆质料可分为第一代Si、Ge,第二代GaAs、InP等,第三代GaN、SiC等,其中硅的提纯与结晶工艺最为成熟,硅片的使用也最为广泛。

由于晶圆尺寸越大,同一晶圆能生产的芯片越多,生产效率越高,因此硅片尺寸越做越大,现在已生长到18英寸,而如今海内企业多为8英寸以下生产线,仅上海硅工业、中环等少量企业开始进入12英寸的晶圆生产。在全球硅片市场中,日本信越化学、日本胜高、台湾举世晶圆、德国Siltronic、韩国LG Siltron五大巨头垄断了95%的市场份额。硅片生产流程电子特气从芯片生长到最后的器件封装,险些每一步、每一个环节都离不开电子特气,它很大水平上决议了半导体器件性能的优劣。电子特气纯度每提高一个数量级,都能极大地推动半导体器件质的飞跃,是名副其实的电子工业“血液”。

电子气体用途广泛电子特气行业的技术壁垒,一是深度提纯难度较大,以硅烷为例,将其纯度由4N提纯到6N中间有漫长的门路,除了要解决普通气态杂质的纯化问题,还要将金属元素净化到10-9级至10-12级。二是储运、包装上应制止二次污染的发生。三是分析磨练技术的研发同样很是重要。小编导师研发的高纯硅烷生产技术现在,全球电子气体80%的市场被美国林德-普莱克斯、法国液化空气、美国空气化工三大气体巨头所占据,我国的对外依存度在75%左右。

海内在这一领域有着雅克科技、南大光电质料、华特气体、巨化团体、南京特种气体、多氟多等多家知名化企,它们在部门电子气体的提纯、容器处置惩罚、充装和分析磨练技术已到达国际通行尺度。另外,在海内生产气体,储运、容器周转更为利便,运输成本具有显著优势,因此,电子气体也是现在海内入口替代水平最高的半导体质料。光刻胶  光刻胶又被称为光致抗蚀剂,其质量和性能直接影响到集成电路的性能和制品率。

光刻胶使用光化学反映,经光刻工艺将所需的图形从掩模版转移到待加工的基片上,在器件的微细加工中有着广泛应用。现在,全球光刻机市场为荷兰ASML所引领,而高端光刻胶也仅有外洋企业能到达ArF的技术水平,海内在半导体光刻胶领域和外洋仍旧有2-3代的差距,且EUV等下一代技术的光刻胶海内还是一片空缺。  生产光刻胶需要将成膜树脂、感光质料、光敏剂、添加剂、溶剂等组分有机地联合在一起,一般以酚醛树脂、重氮萘醌化合物、聚对羟基苯乙烯、聚酯环族丙烯酸酯等为原质料。

光刻胶金属离子等杂质的含量要求在ppb级别,部门配套质料的要求更是到达了ppt级。光刻胶合成工艺  现在全球半导体光刻胶基本为美日企业所垄断,包罗美国陶氏、日本合成橡胶、东京应化、日本信越化学。海内仅有苏州晶锐化学、北京科华微电子质料少数几家可量产较低端光刻胶,并在研发中试更为高端的半导体光刻胶。

CMP抛光质料  化学机械抛光(CMP)是集成电路制造中的关键技术,通过使用化学腐蚀和机械力对单晶硅片和金属布线层举行平坦化,其原理是在工件外貌发生化学反映,生成易于除去的氧化外貌,再通过机械作用将氧化外貌去除,除去的产物由抛光液带走。CMP质料主要包罗抛光垫、抛光液等。

化学机械抛光工艺流程  抛光垫的质料主要为聚氨酯以及PVA、PVP等能溶于抛光液的填充物,使用这种质料的海绵机械特性和多孔性能,可提高抛光的匀称性。海内半导体CMP抛光垫险些100%依赖入口,美国陶氏化学在该领域一家独大,占据了全球80%的市场份额,3M、卡博特、日本动力、台湾三方化学等可生产部门芯片用抛光垫,中国大陆仅湖北鼎龙一家可小批量生产。  抛光液的主要身分是石英等研磨质料,外貌活性剂、稳定剂、氧化剂等化学添加剂。

全球市场被美国卡波特、杜邦、日本Fujimi等几家巨头占据了90%以上的市场份额。海内安集科技率先突破技术壁垒,实现了抛光液的国产化,约占全球2%,海内22%的市场份额。

除了上述几种产物外,半导体质料还包罗超净高纯化学试剂(双氧水、硫酸等)、光刻胶配套试剂、掩模版、金属溅射靶材等众多细分领域。这些卡脖子的半导体质料大多为外资企业所垄断,但海内企业也已有了一定的希望,在壁垒较低的一些产物上已实现技术突破,在壁垒很高的大硅片、高端光刻胶领域也开始有企业结构。

芯片国产化,我们亟待生长的不仅仅是IC设计,另有设备、质料等领域,需要国产替代的也不只有光刻机和光刻胶,而是方方面面。在芯片工业链中,精致制造流程工艺、超净情况建立、电子化学品的生产检测都与先进化工技术息息相关。我们任重而道远,希望海内的化工质料商与晶圆代工、IC设计、封测厂商一起,早日构建起自主可控的集成电路工业链。芯芯之火,蓄势待燃!。


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