晶圓制備技術及專利布局趨勢

王俊山 鄭 磊

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

晶圓作為半導體制造過程中的關鍵組成部分，是制造各種微電子器件的基礎。晶圓由高純度的單晶硅制成，制造過程涉及多道工藝步驟，包括單晶硅的生長、晶圓切割、去除雜質、刻蝕、光刻等［1］。制造出高質量的晶圓，對于保證微電子器件的性能和可靠性至關重要。在現代電子工業中，晶圓制造技術的不斷發展和創新，推動了微電子器件的不斷進步和應用領域的拓展。因此，晶圓制造技術的發展對整個電子工業的發展具有重要意義，是推動電子技術不斷前進的基礎。

1 兩種常見生產單晶硅的方法

為了制造單晶硅棒，需要通過高溫過程將電子級硅和一個單晶硅籽晶一起熔化，這種熔融的硅接著就按照與籽晶相同的晶體結構凝固。半導體工業中有兩種常用方法產生單晶硅，即查克洛斯基（Czochralski，CZ）法和懸浮區熔（Floating Zone，FZ）法［2］。

1.1 查克洛斯基法

CZ 法是單晶硅制備中最常用的一種方法。該方法的主要步驟是先將高純度硅材料加熱熔化，形成一個液態硅池，然后在池面上緩慢降下單晶硅種子，使種子逐漸沉入液態硅池中，并逐漸旋轉和上升。在此過程中，硅材料的結晶方向沿著單晶硅種子的方向生長，從而形成一根長大的單晶硅棒，待生長到足夠長度后，用鋸切成片，完成硅晶圓的生產。

CZ 法制備單晶硅，具有設備簡單、生長效率高、硅晶圓品質高等優點，產量也比其他方法更大。但同時也存在一些問題，如在生長過程中，液態硅池會被內集熱效應燒壞，還會固溶含雜質，這些雜質會影響硅晶的電性能等，需要通過優化工藝來改善。

1.2 查克洛斯基法相關專利

在查克洛斯基法提出后，多家研究機構及科研院所分別開展持續性研究，并將其拓展到各自領域，比較有代表的有以下幾家。

貝爾實驗室早在1971 年的US3614447A 中將其應用于調制半導體激光器的制作中，用于改進半導體激光器的性能。

西門子公司甚至在1976 年的US3999950A 中進行了外太空晶體生長的研究，利用在宇宙真空中自由浮動的熔體，然后熔體以取向狀態固化，通過使用小的天然或人造天體作為參考體來進行熔化和拉動過程，使得參考體對熔體的重力效應遠小于熔體的地面重量。

國內相關研究也在蓬勃開展中，中國科學院福建物質結構研究所在1998 年的CN1225951A 中提出氣冷晶體法生長低溫相偏硼酸鋇（β—BBO）大單晶的要點是在用熔鹽提拉法或熔鹽籽晶法生長BBO 晶體時，用壓縮氣體通過導管連續地吹向正在生長的晶體的上表面。由于晶體表面不斷受到冷卻，加快了生長界面處結晶時結晶熱的散發和晶體生長界面處的排雜過程，從而提高了晶體的生長速度和質量。

由上述研究可知，雖然查克洛斯基法最初是為了生產單晶硅，但是分別在激光器、空間晶體生長、化學領域均有豐碩研究成果。

1.3 懸浮區熔法

懸浮區熔（Floating Zone，FZ）法是另一種常見的單晶硅制備方法。相比于CZ 法，FZ 法制備的單晶硅具有更高的電致變形應力（Elastic Strain Energy，ESE）、更低的雜質含量和熱退火敏感性。該方法通常在高大比下進行，以獲得更高的ESE，從而改善器件性能。

FZ 法通過兩種材料間的熱核反應制造單晶硅。首先，通過一個加熱器對兩塊高純度硅材料進行加熱，直到它們融合在一起，形成一個窄的懸浮區（Floating Zone）。在該區域中，將光陰極射線注入鎢絲簽擴散器中，產生的熱量會將懸浮區域熔化，使其緩慢旋轉并移動，生成懸浮區的純度和晶體質量更高的新硅晶棒。

1.4 懸浮區熔法相關專利

懸浮區熔法研發雖然晚，但是由于其良好的雜質純度，一經公布，多家研究機構和科研院所迅速開展持續性研究，并將其拓展到各自領域，比較有代表的有以下幾個。

KOJIMA HIRONAO SEIKO EPSON CORP 在1990 年的JPH02275800A 提出超導氧化物單晶及其制備方法，通過在氧氣壓力下將超導氧化物燒結原料棒溶解于紅外光集中加熱爐中提供的以氧化銅為主要成分的溶劑層中并生長單晶，從而容易地獲得具有優異質量和大尺寸的超導氧化物單晶。

SHINETSU HANDOTAI KK 和 SHINETSU CHEMICAL CO 在2002 年的JP2002134410A 提出半導體襯底和利用該半導體襯底的太陽能電池及其制造方法，在該方法中，可以顯著降低半導體基板的制造成本，同時消除光電轉換效率的老化效應。解決方案：用于制造半導體襯底的方法包括通過切割多晶棒來制造多晶晶片的步驟，所述多晶棒通過用期望的雜質摻雜劑摻雜半導體材料而生長。

中國科學院物理研究所在1995年的CN1143124A提出摻鐿的釩酸釔激光晶體及其制備方法，提供一種熒光壽命達1.85 ms，具有高受激發射截面和低泵功率閾值的摻鐿釩酸釔，及提供一種不用坩堝作晶體生長容器，并在生長過程中通入氧氣的生長該激光晶體的浮區法。本發明的優點在于避免坩堝引入的雜質污染，及通入流動氧氣減少V2O5 的揮發變價；該方法生長周期短，成品率高。

由上述研究可知，由于懸浮區熔法良好的雜質純度，在甲硅烷、超導、太陽能電池、激光晶體、單晶體方面有豐碩的研究成果。

2 晶圓制造

2.1 晶圓制造中的關鍵技術難點

單晶硅是制造半導體器件的重要材料之一。通過熱力學方法或液相法生長出單晶硅原料，再經過切割和拋光等工藝步驟，將其加工成直徑為300 mm的硅片，也就是晶圓［3］。晶圓經過光刻、電子束曝光、薄膜沉積、熱處理等多道工序的加工，最終制成微電子器件和集成電路。單晶硅到晶圓的加工過程是半導體行業中的關鍵步驟，需要高度的技術和精密的生產設備進行加工和控制。晶圓制造是集成電路產業的核心部分，其生產過程非常復雜，技術難點也很多，主要包括以下幾個方面。

2.1.1 光刻技術。光刻技術是集成電路制造過程中最基礎、最重要的微影技術，其質量直接影響晶體管等元件的性能表現。光刻技術主要包括光源、光學系統、掩模和曝光工藝，其中光學系統和具有亞納米級分辨率的曝光工藝是技術難點。

2.1.2 薄膜沉積技術。薄膜沉積技術是集成電路制造過程中必不可少的技術，它通過化學氣相沉積、物理蒸發沉積等方法在晶片表面沉積各種金屬、氧化物、氮化物等材料，以形成寄生電容、電感、電阻、導體等元器件。但由于沉積工藝的高復雜性和過程的難以控制，薄膜沉積技術也成了晶圓制造的技術難點。

2.1.3 電子束曝光技術。在半導體工藝中，電子束曝光是一種高精度的微影技術，是晶圓制造中的關鍵技術之一。電子束曝光技術能夠取代傳統的光刻技術，實現亞微米級別的線寬精度和位置控制。但是，電子束曝光技術也存在著能量損失、方向控制、場強調節等方面的技術難點。

2.1.4 熱處理技術。熱處理技術是集成電路工藝中不可或缺的一環，它將基片上有雜質、結構不良的多晶硅進行加熱，使之在單晶硅的晶體種子作用下形成單晶硅，然后再進行鍵合、分割等后續步驟，形成可用于制作器件的硅片。熱處理技術是制造高品質晶圓的關鍵，其技術難點主要在于溫度控制、氣氛控制、脫氧等方面。

2.2 晶圓制造中相關專利

全球各個申請地晶圓申請量如圖1 所示。從全球申請量、申請國別（含WIPO和EPO）及申請主體分析看，我國在晶圓專利申請方面始終處于絕對領先地位，雖然單一申請主體的申請量不是最高，但是我國采用多點開花的策略，充分激活了市場主體，使得多個申請主體充分競爭，共同促進了晶圓生產技術的進步，最大限度地發揮了專利對技術進步的促進作用。

圖1 2000年以來主要申請地晶圓專利數量分析

2.3 中國在晶圓制造技術方面的優勢和劣勢

優勢主要體現在以下三個方面。

市場需求巨大。中國是全球晶圓制造的最大市場之一，其市場需求量巨大，使得國內晶圓制造業具有很大的發展潛力。

原材料豐富。中國擁有豐富的硅礦資源，且國內的硅原料價格比國外低廉，這對于晶圓制造原材料成本的控制有著很大的優勢。

技術水平逐漸提高。近年來，國內晶圓制造企業在經過了多年的經驗積累和技術研發后，逐漸積累了一定的技術實力，其技術水平逐漸提高。

劣勢主要體現在以下三個方面。

依賴進口技術。國內晶圓制造技術水平相對于國際先進水平仍有一定的差距，導致國內晶圓制造企業依賴進口技術和設備。

生產成本較高。由于國內原材料和設備的技術水平與國外差距較大，所以導致國內晶圓制造企業的生產成本相對較高。

資金和技術投入不足。國內晶圓制造企業的資金和技術投入相對國外來說較少，這也是制約國內晶圓制造業發展的一個重要因素。

3 結論

3.1 半導體領域態勢

半導體領域是高科技產業的重要領域之一，其中有不少技術被外國公司壟斷，使得中國企業在獲取這些關鍵技術或者配件時受到限制，造成了“卡脖子”現象。以下是一些常見的“卡脖子”技術。

先進制程技術。目前全球最先進的芯片制程技術精度是7 nm和3 nm，部分技術被美國企業壟斷，中國企業需要借助外國技術或合資的方式才能獲取。

晶圓制造裝備技術。晶圓制造裝備主要包括光刻、蝕刻、離子注入等多項技術，這些技術被部分國外公司壟斷，中國企業需要大量進口這些設備。

EDA軟件。EDA（電子設計自動化）軟件在芯片設計過程中起著重要作用，而EDA 軟件主要被美國公司和歐洲公司占據了市場份額。

3.2 應對策略

中國的應對策略可以從以下幾個方面加強。

把握自主可控。加強國內關鍵技術的研發和創新，降低對外依賴，推進自主可控。中國將通過提高制造業和材料科學的自主創新能力，不斷加強在關鍵領域的自主可控，在半導體、新能源、新材料等領域建立自主創新體系，如研發新的芯片制造工藝與工具、晶圓生產設備等。

強化技術轉讓交流。通過技術轉移和交流，加強國內技術的引入與推廣，實現技術共享，特別關注國際領先技術的引進與消化吸收。

加強政策引導。針對半導體產業的政策制定和引導，鼓勵國內企業加強自主研發和技術合作，鼓勵合作共贏，加強資本市場支持。

人才培養。加強半導體領域相關的人才教育培養，培養具有較高技術素質和創新精神的優秀人才，為半導體產業的可持續發展奠定基礎。

總之，針對半導體行業的“卡脖子”現象，需要在技術自主創新、產業鏈上下游企業合作、政策引導、人才培養等方面加強應對，從而推動我國半導體產業的快速發展、升級和突破。