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硅片尺寸加大和增加外延层是未来发展方向

关键词:硅片回收 电池片回收 太阳能电池板回收 多晶硅回收 │ 发表时间:2018-12-14

硅片尺寸逐步加大是硅片发展的主要方向。 硅锭直径从 20 世纪 50 年代的初期的不到25mm 增加到现在的 300mm 和 400mm, 随着硅片直径的不断扩大,其厚度、面积、重量等技术参数都不断增大。 下图主要展示了不同尺寸硅片的参数,可以看到 400mm 直径硅片的面积是 150mm 硅片的 7.5 倍以上,重量则是 150mm 硅片的 8 倍以上。
各级硅片的尺寸与参数

硅片尺寸不断加大的原因是因为规模效应。 对于 300mm 硅片来说,其面积大约比 200mm硅片多 2.25 倍, 200mm 硅片大概能生产出 88 块芯片而 300mm 硅片则能生产出 232 块芯片。 
根据规模经济学,每块芯片的加工和处理时间都会相应减少。据据美国半导体行业资深教授 Michael Quirk 估计,通过设备利用率的提高,转换到 300mm 硅片可以把每块芯片的生产成本减少 30%。 首先,更大直径的硅片可以减少边缘芯片,提高生产成品率;
其次,在同一工艺过程中能一次性处理更多的芯片,设备的重复利用率提高了。硅片直径的不断加大给硅锭生长工艺提出了更高的要求,设备更新需求巨大。 300mm 硅锭大概有 1 米长,需要在坩埚中融化 150kg 到 300kg 的半导体级硅,大尺寸硅片对于设备和工艺的要求更高。 由于升级设备的成本达上亿美元,晶圆厂最常见的做法是新建工厂提高生产直径。
据 Michael Quirk 估计,整个半导体产业由 200mm 硅片升级到 300mm 硅片的花费大概是 130 亿-150 亿美元, 设备升级换代需求巨大。

硅片尺寸逐渐加大
另外, 增加外延层也是硅片制备的另一个主要发展方向。 硅外延指的是在硅片上面生长一薄层硅,新的外延层会复制硅片的晶体结构。硅外延发展你的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能。外延层可以优化 pn 结的击穿电压且降低集成电路电阻,在始终的电流强度下提高了器件运行速度。
外延工艺流程简介

另外,外延在 CMOS 集成电路中变得更重要,因为随着器件尺寸的不断缩小它将闩锁效应降到最低。外延层的厚度也不尽相同,用于高速数字电路的典型厚度是 0.5-5um, 用于硅功率器件的典型厚度是 50-100um。
北方华创 Esther200 单片硅外延系统
硅片厂快速扩产,
国内投资风起云涌,设备投资需求巨大
全球半导体行业高度景气。 2016 年开始全球半导体行业保持高景气度,费城半导体指数和台湾半导体行业指数一路上涨,分别由 2016 年初的 600 点左右和 100 点左右上涨至今年12 月底的 1270 余点和 160 余点,增幅分别超过 100%和 70%。 根据历史经验, 行业复苏持续时间一般不小于两年 ,此轮景气度周期始于 2016 年下半年,有望持续至年。
费城半导体指数
伴随行业景气度的提升, 半导体设备投资也进入上行区间。 根据 SEMI 的数据,预计 2017年-2019 年抛光硅晶圆与外延硅晶圆总出货量将分别达到 11448 百万平方英寸、 11814 百万英寸和 12235 百万平方英寸,同比增速分别为 8.2%、 3.2%和 3.6%, 2017 年晶圆出货量将创造历史最高纪录, 2018-2019 年有望持续突破该数值。 
全球硅晶圆出货量预测
晶圆出货量的大幅增加和晶圆加工技术水平的提高势必在未来几年对半导体加工设备形成持续性的需求, 全球半导体设备迎来新一轮投资热潮。 2016 年全球半导体设备销售额为 412 亿元,同比增加 13%,为 2012年以来的阶段性新高。

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