集成電路用硅材料現狀及標準體系分析

楊素心｜文

集成電路是信息技術產業的核心，是國家重要的基礎性和戰略性產業。作為集成電路用基礎原材料，硅材料是推動產業發展的關鍵因素之一。在國家政策和市場需求牽引的共同作用下，國內電子級多晶硅取得突破，大尺寸硅單晶、硅片也取得長足進步。

轟轟烈烈的中美貿易戰中頗具代表性的“中興事件”和“華為事件”讓芯片火了一把，“缺芯之痛”使得全國人民意識到芯片雖小卻是國之重器。中國是全球第一大消費電子生產國和消費國，但目前我國半導體產業的生產水平和生產能力難以滿足下游龐大的需求。2018年我國集成電路產業銷售額達到6532 億元，同比增長20.7%，但是大量集成電路產品仍然依靠進口。集成電路已成為支撐我國發展的戰略物資，改變在集成電路產業中的落后地位，關系到國家的信息安全和經濟利益，我國各種相關政策、資金都在著力推進集成電路的發展。

集成電路用硅材料概況

圖1 集成電路用硅片生產工藝流程

集成電路大體分設計、制造、封測三大環節，而硅材料處于集成電路制造環節的上游，對集成電路產品質量、價格等起著重要作用，是推動產業發展的關鍵因素之一。集成電路用硅材料主要包括電子級多晶硅和硅片，其典型的生產工藝流程見圖1。芯片如果被比喻成一座微型城市，上面有著長度達數公里的導線以及幾千萬甚至上億根晶體管，而硅片就是讓這些元件安家落戶的“地基”，電子級多晶硅又是生產硅片的原材料。多年來，我國電子級多晶硅、大尺寸硅片依賴進口，隨著國家對半導體行業展現出的空前支持力度和國內廣闊的市場空間，近幾年我國的集成電路產業迅猛增長，電子級多晶硅取得突破，8 英寸硅片實現部分自給，12 英寸硅片生產線也密集建設中，后期有望突破外商壟斷，實現國產替代。

電子級多晶硅現狀

電子級多晶硅處于硅材料的上游，由于生產難度極大，多年來一直依賴進口。目前，大基金支持的江蘇鑫華和洛陽中硅大力開展電子級多晶硅的研究及產業化。2018年6月，江蘇鑫華發布消息稱，一批集成電路用高純度多晶硅出口韓國。此外，青海黃河水電已經給浙江金瑞泓公司進行批量供貨。近十余年來，通過對國外技術的引進、消化、吸收、再創新，我國多晶硅企業形成了成熟的、具有自主知識產權的生產技術，還原爐、氫化爐等關鍵設備也已實現國產化，這些都為電子級多晶硅的質量提升、成本降低打下了堅實的基礎。隨著目前這幾家生產電子級多晶硅企業的試產、試用和驗證，我國自產的電子級多晶硅有望逐步實現量產、穩產及廣泛應用。

顆粒硅主要用于單晶硅連續拉晶加料、多晶硅鑄錠鋪底以及塊狀多晶硅填隙增加裝爐量。目前國內江蘇中能已經實現了以硅烷為原料，流化床技術生產顆粒硅；2018年6月21日，亞洲硅業也攻克了氯硅烷制備顆粒硅的難題，中試線采用二氯二氫硅直接分解制備顆粒硅；陜西天宏與美國REC 合資成立的天宏瑞科公司，建立了流化床法顆粒硅生產線，已實現小批量生產。據悉，國內其他多晶硅生產企業也有在嘗試顆粒硅的生產，以期降低成本，搶占市場。但是由于顆粒硅的金屬雜質含量較高，目前主要用于低端產品的生產和光伏行業。

硅片現狀

高品質、大尺寸的硅片更能夠降低成本，提升生產效率，因此，在保證品質的情況下，硅片一直沿著大面積的趨勢發展。集成電路用硅片產業的技術門檻高，8 英寸、12 英寸硅單晶生長與硅片制造的工藝復雜，對生產環境的潔凈度和產品的幾何精度要求極高，產品質量管控體系苛刻。全球前五大廠商（日本信越、日本勝高、中國臺灣環球晶圓、德國Silitronic、韓國LG）占據了90%以上的份額，在12 英寸硅片市場更是占據將近98%的份額。

目前國內企業能滿足4 ～6 英寸硅片的性能需要，8 英寸生產線（含外延片）仍有90%進口，而12 英寸生產線主要在建設和規劃中，幾乎100%依賴進口。這種情況嚴重制約著我國集成電路產業競爭力和供應鏈安全。為應對高需求、低供給的現狀，我國積極建設硅片廠，2018年在建或規劃中的8 英寸和12 英寸生產線主要有9 家，后續如均能順利量產，預計12 英寸硅片月產能達到120 萬片，8 英寸硅片月產能達到160 萬片，基本可以滿足國內需求。據悉，杭州立昂微電子在衢州投資的8英寸硅片生產線項目已正式投產，并于2019年7月2日拉制成功長約1.5 米、重達270 公斤的12 英寸硅單晶棒。

標準體系分析

作為發展最成熟的半導體材料，硅材料標準一直緊跟行業發展，及時進行修訂和補充，在規范市場競爭和促進行業進步方面起了重要作用。根據硅材料在半導體和光伏領域的不同應用，建立了相應的標準體系。已發布的半導體材料標準中，硅材料標準（含輔助材料及通用的基礎、方法標準）有128 項，占比54.24%，包括基礎標準10 項、產品標準35 項、方法標準78 項、管理標準5 項，其中集成電路用硅材料直接相關的標準共89 項。

基礎標準中除鍺晶體缺陷圖譜和藍寶石晶體缺陷圖譜外的10 項標準都與硅材料相關。與SEMI 標準進行對比分析，我國的硅材料基礎標準體系完善，包括術語、缺陷圖譜、牌號、訂貨單等。其中《硅材料原生缺陷圖譜》更是填補了國內外空白，包括了多晶硅、單晶硅和硅片的362 張缺陷圖，并結合缺陷圖片對缺陷形態、產生原因以及消除或抑制方法進行了描述，是目前國內外最全面、最實用的硅材料缺陷圖譜。

已發布的集成電路用硅材料產品標準共16 項，包括了生產工藝流程中的主要產品，包括電子級多晶硅、硅單晶、切割片、研磨片、腐蝕片、拋光片和外延片，并補充了硅退火片、硅拋光回收片和硅單晶拋光試驗片等。SEMI 標準中部分產品標準根據細分的應用領域進行了規范，如優質硅單晶拋光片、功率器件用SOI、450 毫米硅單晶拋光片等。總體來說，產品標準也是順應產業發展及時跟進的，隨著國內產品質量的提高，后期將會側重細分領域優質產品標準的建立，例如刻蝕機用硅電極及硅環、集成電路用低密度晶體原生凹坑硅單晶拋光片等。

集成電路用硅材料適用的方法標準有63 項，常規的技術指標，如電學性能、外形尺寸、表面質量、金屬雜質等，都已有方法標準進行檢測，而且硅材料行業內制定的多項標準也同樣適用于鍺、砷化鎵等其他半導體材料的測試，避免了標準的重復制定。SEMI 標準中的硅材料及工藝控制標準共68 項，其中47 項都有對應的國行標，其余的21 項標準中包括了光學顯微鏡的設置、硅樣品制備方法、腐蝕溶液的選擇指南等，典型的半導體材料方法標準僅5項。我國現行的方法標準體系基本滿足了目前的檢測需要，隨著技術的發展和檢測方法的成熟，再適時對已有標準進行修訂，并補充其他相關方法標準以適應行業需求，如晶體原生凹坑（COP）的測試、二次離子質譜法測試硅中氧、氮含量等。

結語

在國家政策和市場需求牽引的共同作用下，集成電路用硅材料取得了長足的發展和進步。但是電子級多晶硅產品質量穩定性還需進一步提升，大硅片項目目前看來也存在較大的不確定因素，技術、設備、產能、驗證等方面均考驗企業及團隊能力。促進高端產品在我國的產業化，提升產品的質量穩定性和批次的一致性，需要產業鏈的整體協同推進。硅材料標準體系也需進一步緊跟行業變化，適時提出標準制修訂，規范國內硅材料市場，助力行業的發展進步。