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国产芯片破局,化工工程师能做些什么?

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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,芯片断供问题持续发酵,国产替代的呼声愈发强烈。然而,芯片的制造是一个极其复杂的系统工程,需要微电子、物理、机械、材料、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。

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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,这便是IT届著名的摩尔定律。3年后,身为物理化学博士的摩尔创办了英特尔公司。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,都会被微软很快地消耗掉。安迪同样也是一名化学工程博士。

在半导体行业的成长与发展过程中,化学化工界的前辈们做出了许多重大贡献,特别是在先进半导体材料的开发以及相关制造工艺领域有着诸多开拓性成果。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过程,而Fab也可以看作是一座大型的精密化工厂,它将原料硅经由多种物理和化学过程加工为集成电路产品,制造过程中还需要用到各种高纯的气体和液体。在芯片的制造过程中涉及到很多化学工程概念,比如生产晶棒需要了解流体力学、传热、传质以及结晶,沉积过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)。粗硅还需经过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),多晶硅通过拉制得到单晶硅棒,切割后便可得到晶圆基片。

硅棒生产

【薄膜制备】

芯片的生产是一个做减法的工艺过程,即先将材料沉积在硅晶片表面,然后再有选择性地刻蚀掉不需要的部分,保留之前设计好的图案,便可得到所需的电路。晶圆基片经高纯试剂清洗后,首先需要在基片表面形成一层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)等方法进行。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,氧气在硅表面起化学作用,形成均匀薄膜层(Si+O2→SiO2)。化学气相沉积(CVD)是利用气态的先驱反应物,通过原子、分子间化学反应,使得气态前驱体中某些成分分解,而在基体上形成固态薄膜的技术。比如硅烷在含氧气氛中在衬底表面热分解,并与氧气反应便可生成SiO2薄膜(SiH4+2O2→SiO2+2H2O)。

气相沉积

【光刻蚀】

  芯片制造过程中,集成电路的形成主要依靠的是光刻和刻蚀(简称光刻蚀)。光刻是在硅片表面通过旋转离心均匀地在表面涂敷上一层光刻胶,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,利用刻蚀技术对下层材料进行化学腐蚀。衬底薄膜表面被光刻胶覆盖的部分不会被刻蚀,而未被覆盖的部分可精确可控地除去衬底表面一定深度的薄膜物质,最终得到设计好的电路图案。

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应,比如硅刻蚀常用硝酸与氢氟酸的混合溶液(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应,比如以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产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-型半导体就是分别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,便会产生一个自由电子,而每引入一个铝原子,便会增加一个空穴,导电能力因此而得到提高。把N、P两种半导体放到一起就变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。比如,使用液态源的磷扩散过程中发生以下反应: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保护层,便完成了一次工艺流程,芯片离开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传递和反应工程等化工知识。除此之外,化工工程师还为芯片生产创造了至关重要的超净环境。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洁净室内进行,通过复杂的颗粒捕集和空气过滤系统,控制空气中的粉尘、微生物和各类气体含量,同时还要控制风量以维持室内一定的正压。

洁净室内身穿防护服的工程师

  生产过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、储运和流体处理设备。因此,化工工程师不仅需要掌握各类化学品纯化技术,还需在选型时保证各类容器、管道、阀门、泵等设备在生产中不会引入杂质。比如,水是芯片制造过程中消耗的主要原材料,一座半导体制造厂的用水量堪比一座小城市,这些水需经由过滤、离子交换、膜分离等多道纯化工艺才可用作工艺用水,目前,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材料,是指为电子工业配套的各类精细化工产品。俗话说,兵马未动,粮草先行,电子化学品就是半导体行业不可或缺的“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材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材料的对外依存度高达90%以上。

去年的日韩贸易战,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可谓不大,半导体材料的国产化同样是刻不容缓。我们看最近国家集成电路产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、鑫华半导体材料、巨化等诸多化工企业的身影。随着半导体制造产能加速向国内转移,国家扶持产业政策和基金密集出台,半导体材料国产替代进程加快,相关精细化工材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材料以及它们的国产化进程。

预测不同半导体材料国产化进程存在差异

【晶圆材料】

目前晶圆材料可分为第一代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,目前已发展到18英寸,而如今国内企业多为8英寸以下生产线,仅上海硅产业、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、台湾环球晶圆、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,几乎每一步、每一个环节都离不开电子特气,它很大程度上决定了半导体器件性能的好坏。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中间有漫长的道路,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、包装上应避免二次污染的发生。三是分析检验技术的研发同样非常重要。

小编导师研发的高纯硅烷生产技术

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