全面解讀集成電路產(chǎn)業(yè)鏈及相關技術

　　(2)模擬IC和邏輯IC

　　模擬IC是處理連續(xù)性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號，模擬IC按技術類型來分有只處理模擬信號的線性IC和同時處理模擬與數(shù)字信號的混合IC。模擬IC按應用來分可分為標準型模擬IC和特殊應用型模擬IC。標準型模擬IC包括放大器、信號界面、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、比較器等產(chǎn)品。特殊應用型模擬IC主要應用在4個領域，分別是通信、汽車、電腦周邊和消費類電子。

　　2014年前十大模擬IC廠商銷售額(單位：百萬美元)

　　邏輯IC可分為標準邏輯IC及特殊應用IC(ASIC)，標準邏輯IC提供基本邏輯運算，并大量制造，而ASIC是為單一客戶及特殊應用而量身定做的IC，具有定制化、差異化及少量多樣的特性，主要應用于產(chǎn)業(yè)變動快、產(chǎn)品差異化高及整合度需求大的市場。

　　(3)微元件IC

　　微元件IC包括微處理器(MPU)、微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)及微周邊設備(MPR)。MPU是微元件IC中的最重要的產(chǎn)品，主要用于個人電腦、工作站和服務器，CPU是其中的一種，目前以Intel公司為MPU產(chǎn)業(yè)龍頭。MCU又稱為單片微型計算機或者單片機，是把中央處理器的頻率與規(guī)格適當縮減，并將內(nèi)存、計數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

　　DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理技術的芯片， 近年來，數(shù)字信號處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動控制、圖像處理、通信技術、網(wǎng)絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數(shù)字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。MPR則是支持MPU及MCU的周邊邏輯電路元件。

　　(二)制造部分

　　集成電路制造過程可分為晶圓制造和晶圓加工兩部分。前者指運用二氧化硅原料逐步制得單晶硅晶圓的過程;后者則指在制備的晶圓材料上構(gòu)建完整的集成電路芯片。

　　(1)晶圓制造

　　由于芯片極高的電路集成度，其電路對于半導體基質(zhì)(晶圓)的材料純度要求亦十分嚴苛。由各種元素混雜的硅石到硅純度達 99.9999999%(稱為 9N)的硅單晶晶圓，晶圓的制造流程，因此可以被認為是硅材料不斷提純的過程：

　　1)“冶金級硅”制備：從二氧化硅到“金屬硅”

　　由硅石等富含二氧化硅(SiO2)的礦物資源通過提純得到高純度二氧化硅。充足的高純度二氧化硅原料與富含碳原子(C)的煤炭、木炭等反應物被臵于電爐中，在1900℃的高溫下，二氧化硅與碳發(fā)生氧化還原反應：SiO2+2C→Si+2CO，初步制得硅(Si)材料。

　　從二氧化硅到“金屬硅

　　由于此過程類似通過氧化還原反應冶煉鐵、銅等金屬的冶金過程，故此過程制備的硅材料被稱為“冶金級硅”，又稱“金屬硅”?！案呒儭苯饘俟璨牧系墓韬靠蛇_ 98%，但這仍不能達到制成集成電路芯片的純度要求。

　　2)西門子制程：從金屬硅到多晶硅

　　冶金級硅的產(chǎn)量占全球硅元素產(chǎn)品產(chǎn)量的20%，該產(chǎn)品被大量運用于鋁硅合金鑄造業(yè)與化工產(chǎn)業(yè)。其中，僅有 5~10%的冶金級硅被用于再次提純，進而制成高純度“電子級硅”(電子級硅產(chǎn)量不到全球硅產(chǎn)品產(chǎn)量的 1~2%)。

　　為進一步提純硅材料，產(chǎn)業(yè)多先轉(zhuǎn)化冶金級硅材料為含硅元素的揮發(fā)性液體，如三氯硅烷(HSiCl3)、四氯化硅(SiCl4)，或直接轉(zhuǎn)化為氣體硅烷(SiH4)。之后，在密閉反應室中臵入表面溫度達 1150℃的高純硅芯，通入三氯硅烷氣體。通過化學分解作用，高純度硅材料得以直接“生長”于硅芯表面，由此提高硅材料純度。

　　從“ 金屬硅” 到多晶硅

　　該制程被稱為化學氣相沉積法(CVD)，用以制備高純多晶硅。該技術于1954 年德國西門子公司申請專利，故又稱“西門子制程”。此后的改良西門子法大大降低了制造能耗，并可使制備的多晶硅材料純度達到 99.9999%(6N)。

　　其他制程，如流化床反應器技術(FBR)、升級冶金硅技術(UMG-Si)等，亦被應用于高純多晶硅生產(chǎn)，但改良西門子法仍占據(jù)產(chǎn)量的多數(shù)(達總產(chǎn)量的88%)。

　　3)柴可拉斯基制程(“拉晶工藝”)：從多晶硅到單晶硅

　　6N 純度的多晶硅材料仍不能應用于微電子領域。并且電學性質(zhì)方面，多晶硅的導電性以無法達到芯片級技術要求。為有效控制半導體材料的量子力學特性，硅材料的純度仍需進一步提高。通過反復提純的過程，最終用于集成電路生產(chǎn)的硅材料純度需達到99.9999999%( 9N)水平。

　　由高純多晶硅提純高純單晶硅，主流的制備工藝為“柴可拉斯基制程”：柴可拉斯基制程指制備半導體(如硅、鍺、砷化鎵)、金屬、鹽類、合成寶石等的單晶的晶體生長過程。

　　從多晶硅到電子級硅

　　上一步驟制備的高純多晶硅，在1425℃的高溫下熔融于坩堝容器中。可加入摻雜劑原子如硼(B)、磷(P)原子對半導體進行摻雜，以制成具有不同電子特性的 p 型或 n型半導體。將轉(zhuǎn)動的高純單晶硅晶棒沒入熔融的多晶硅中，緩慢地轉(zhuǎn)動并同時向上拉出晶棒。同時，盛放熔融物的坩堝以晶棒轉(zhuǎn)動的反向轉(zhuǎn)動。通過精確控制溫度變化、拉晶速率、旋轉(zhuǎn)速度，得以從熔融物中提取出標準化的大型圓柱體單晶晶柱，晶柱可高達兩米，重約數(shù)百千克。

　　硅晶柱直徑?jīng)Q定了切割出晶圓的直徑，更大的晶圓意味著單塊晶圓上得以印刻更多的集成電路晶片，生產(chǎn)效率可以得到極大提升。現(xiàn)階段，晶圓制造廠主要生產(chǎn)直徑為200mm和300mm的晶圓。到2018年，450mm直徑的晶圓預計可以實現(xiàn)量產(chǎn)。另外，為保證單晶硅材料純度，晶柱生長的過程通常于惰性氣體(如氬氣Ar)環(huán)境下在惰性反應容器(如石英坩堝)中進行。

　　在國內(nèi)，此工藝常被形象地稱為制備高純單晶硅的“拉晶工藝”，此法制備的高純單晶硅硅錠純度可達99.9999999%(9N)，具有優(yōu)良的半導體量子力學特性，可以被用于集成電路制造領域——該材料因此被稱為“電子級硅”。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中懸浮區(qū)熔法等技術也被用于多晶硅至單晶硅的提純過程。其缺點是制備的晶柱直徑往往小于拉晶法的制成直徑。

　　4)最后一步：從晶柱到晶圓

　　制備了高純單晶硅晶柱后，需經(jīng)過：1晶柱裁切與檢測、2外徑研磨、3切片、4圓邊、5研磨、6蝕刻、7去疵、8拋光、9清洗、10檢驗、11包裝等等十一個步驟進行處理。

　　從晶柱到晶圓

　　最終制成可供晶圓加工廠家使用的合格半導體晶圓。極度平滑的硅晶圓厚度一般在0.2-0.75mm之間，直接作為制造集成電路芯片的材料，由晶圓代工廠進行晶圓加工階段的處理。