硅抛光片-CMP-市场和技术现状-张志坚.pdf
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1、硅抛光片 ( CMP)市场和技术现状 * 张志坚,张凡,邱光文,彭茂公,王红鹰,俞琨 ( 昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明650031) 摘要:介绍了硅抛光片在硅材料产业中的定位和市场情况,化学机械抛光 ( CMP)技术的特点,硅抛光片 大尺寸化技术问题和发展趋势,以及硅抛光片技术指标,清洗工艺组合情况等。 关键词:硅抛光片;CMP 技术;清洗 中图分类号:TN304. 1 +2 文献标识码:A文章编号:10060308 ( 2012)01004005 Market and Technical Status of Polished Silicon Wafer ZHANG Zhijian,Z
2、HANG Fan,QIU Guangwen,PENG Maogong,WANG Hongying,YU Kun ( Kunming Yeyan NewMaterial Co ,Ltd ,Kunming,Yunnan 650031,China) ABSTRACT:The following situations are introduced in this paper:the orientation and market situation of polished silicon wafer in silicon material industry, the features of chemic
3、al mechanical polishing ( CMP)technology, technical problems of large size polished silicon wafer and its development trend,as well as the technical index of polished silicon wafer,cleaning process combination etc KEY WORDS:polished silicon wafer;CMP technology;cleaning 引言 2000 至 2010 年,中国集成电路产量的年均增
4、 长率超过 25%,集成电路销售额的年均增长率则 达到 23%。中国集成电路产业规模已经由 2001 年 不足世界集成电路产业总规模的 2% 提高到 2010 年的近 9%。中国成为过去 10 年全世界集成电路 产业发展最快的地区之一,国内集成电路市场规模 也由 2001 年的1 140亿元扩大到 2010 年的7 350亿 元。化学机械抛光 ( CMP)技术作为目前唯一的 可以提供在整个圆硅晶片上全面平坦化的工艺技 术,已广泛地应用到了半导体集成电路领域,硅抛 光片产业发展在国内有着良好前景,从完善我国硅 产业链、提升硅产业技术水平、发展技术创新产品 的角度考虑,国内研究、发展 200 30
5、0 mm IC 级硅抛光片的技术和产业非常必要,硅抛光片在硅 材料产业中的定位、市场需、CMP 工艺现状、趋 势如何? 1硅抛光片市场情况 1. 1抛光片在硅材料产业中的定位 从硅矿石开採、到矿热法冶炼工业硅、化学物 理法提取多晶硅、切克劳斯基法 ( CZ FCZ)生长 单晶、太阳能电池用硅切片、硅抛光片材料一系列 产业链中,硅抛光片产业处于硅材料产业链的顶端。 硅抛光片是集成电路圆晶生产基础材料,相对 于其它硅材料产业:硅抛光片生产需要高的技术、 设备、智力资源的集成度,产业更依赖高精度技术 设备和前沿技术研发能力;其次,硅抛光片技术标 准与超大规模 ( ULSI)集成电路技术发展同步,三
6、是建立在知识产权拥有基础上的产业垄断,MEMC、 SHE、SUMCO、Wacker 等四家大厂垄断了全球 90% 的 300 mm 抛光片市场,200 300 mm 英寸硅抛 光片有硅材料产业链中相对高的产业利润率,150 mm 以下 IC 级硅抛光片由于被主流产品淘汰,产业 04 2012 年 2 月 第 41 卷第 1 期 ( 总第 232 期) 云南冶金 YUNNAN METALLURGY Feb 2012 Vol. 41 No. 1 ( Sum232) *收稿日期:20111101;修回日期:20111129 作者简介:张志坚 ( 1962) ,男,云南昆明人,高级工程师。 利润逐渐下
7、滑。表 1 是单位多晶硅消耗的太阳能电池硅片、硅抛光片的产值和产业利润情况。 表 1太阳能电池硅切片、半导体抛光片单位多晶硅消耗的产值和产业利润 Tab. 1Output value and industrial profit per unit polysilicon consumption for solar cell silicon section and semiconductor polished wafer 多晶硅电池片 ( 156x156 mm)IC 级 65 纳米抛光片 ( 300 mm) 消耗 1. 0 kg 多晶硅料的产值/元840消耗 1. 0 kg 多晶硅料的产值/元8
8、125 综合回收率/%80 综合回收率/%70 产品数/W 140产品数/片4. 2 利润率/% 1520利润率/%3040 注:消耗 1. 0 kg 多晶硅料的产值是根据 2010 年平均价格计算 由表 1 可以看出,硅抛光片单位多晶硅消耗产 值和产业利润率远远高于太阳能电池用硅片,每消 耗一公斤多晶硅,半导体抛光片生产约8 125元产 值,相对于太阳能电池硅片的每公斤多晶硅消耗生 产约 840 元产值,高出接近 10 倍。通常月产 20 万 片的 300 mm 抛光硅片的生产线的投资约折合人 民币 26 28 亿,年产值约 45 亿,年产 500 MW 太 阳能硅片的生产线约投资 25 亿
9、,年产值约 30 亿, 前者利润率几乎是后者 2 倍多。 1. 2300 mm 抛光片市场快速增长 目前世界集成电路生产线共有1 100余条左右, 市场主流硅抛光片尺寸是 200 300 mm。预计到 2014 年,300 mm 硅抛光片的需求以约 30% 左右 的高速度增长,远高于半导体产业增长平均水平, 预计到 2014 年以前,300 mm 硅抛光片仍然属于 卖方市场。 2008 和 2009 年由于金融危机影响,半导体产 业滑坡使半导体抛光片出货出现衰退,2009 年末 重新步入增长,硅抛光片出货由 2009 年的 465 万 m2上升到 2010 年约 574 万 m2,2010 年
10、硅抛光片 出货量增长约 23. 6%,预计 2011 年增长速度难以 达到 2010 年的水平,iSuppli 公司预测,2011 年半 导体产业硅抛光片出货量比 2010 年增长 13% 左 右,到 2014 年,硅抛光片出货量将达到 800 万 m2。图 1 所示为 iSuppli 公司对 2009 2014 年硅片 按尺寸细分出货量的预测; 我国集成电路产业起步于 20 世纪 60 年代,共 有半导体企业 651 家,从业人员约 11. 5 万人;其 中芯片制造厂 46 家,封装、测试厂 108 家、设计 公司 367 家、分立器件生产 130 余家,抛光片生产 不到 10 家,仅北京有
11、研半导体材料股份有限公司 已建成 1 条 200 mm 硅抛光片小批量生产线和 1 条 300 mm 硅抛光片实验线,国内已经有 200 mm、 300 mm 芯片 FBA 代工生产线数十条,每年需 200 mm 以上硅抛光片约 600 余万片 ( 约 20 万 m2) ,几乎全部 200 mm、300 mm IC 级硅抛光 片正片从美、日、德进口。目前国内生产 100 150 mm 硅抛光片的企业主要有宁波立立电子股份 有限公司、上海合晶硅材料有限公司、洛阳麦斯克 电子材料有限公司、峨眉 739 等。 图 1iSuppli 公司对 2009 2014 年硅片出货量的预测 Fig. 1The
12、prediction of silicon wafer shipment quantity in 2009 2014 made by ISuppli Company 2硅抛光片技术现状 2. 1硅抛光片大尺寸化发展 硅抛光片由 200 mm 扩大至 300 mm 时,面 积增加 2. 25 倍,但相应的成本支出仅增加 30% 左 右,同时相对于 200 mm 晶圆生产线来说,300 mm 晶圆厂成本可降低 30%1 ,并可减少边缘废料 从而提高芯片产出率,故近十几年来硅抛光片不断 向大尺寸化方向发展。 目前 300 mm 硅抛光片已是主流产品。据统 计;2010 年 300 mm 硅抛光片产能
13、为2 479. 36万 14 张志坚,等硅抛光片 ( CMP)市场和技术现状 片,折合月产能 206. 6 万片,换算成 200 mm 月 产能为 464. 9 万片,占全球总产能的 52. 23%。 200 mm 硅抛光片产能为3 092. 4万片,折合月产 257. 7 万片,占全球总产能的 28. 96%,而 200 mm 以下产能为 845 万片,折合月产能为 70. 4 万片 ( 200 mm 等值计) ,仅占总产能的 7. 9%。随着国 际企业集成电路生产由 200 mm 向 300 mm 转移, 200 mm 产品有由集成电路生产线向分立器件转移 的趋势,图2 不同硅抛光片尺寸产
14、能情况示意图; 图2目前不同硅片尺寸产能情况示意图 ( 换算成200 mm) Fig. 2Productivity situation schematic diagram of current different silicon wafer size ( equivalent to 200mm) 300 mm 硅单晶及抛光片的生产技术,其关 键环节包括;稳定的大型热场系统,保证均匀的 纵、横向温度梯度,尽可能理想的生长固液面,保 温隔热系统、磁场系统、低共振的提拉、悬挂系 统、大型高纯、性能优良的石墨、石英器件等,这 些关键环节杂质浓度场、热对流场以及点缺陷动力 学等因素密切相关,目前缺陷动力
15、学模型可以定量 地解释直拉单晶生长时点缺陷的三维分布和二次缺 陷 ( 有氧和无氧存在)的形成过程。生长 300 mm 单晶,采用较粗籽晶及鼓包引晶工艺拉制无位 错单晶;改进了籽晶夹持方式,消除了回熔的影 响;缩颈时,直径减小到6 mm,没有断裂发生 2 。 通过放肩籽晶提拉速度控制,减少悬挂系统共振提 高晶体放肩成功率 3 。硅片的热处理可降低原生 缺陷 ( COP) ,近年来 MEMC 提出的基于快速热处 理 ( RTP)的 “内吸杂”工艺,在一定程度上缩 短了热处理的时间,有利于降低整体微缺陷密度 ( BMD) 4 。 根据国际半导体发展指南预测,直径 450 mm 硅单晶及抛光片将有可能
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