Siliciumwafers: moeilijk te vervaardigen en met hoge barrières. Dit artikel beschrijft het fabricageproces van siliciumwafertechnologie, de analyse van de fabricagekosten en de belangrijkste belemmeringen.
Productieproces van siliciumwafers
De grondstof voor siliciumwafers is kwarts, of zand zoals het gewoonlijk wordt genoemd, dat rechtstreeks in de natuur kan worden gewonnen. Het fabricageproces van wafers kan in verschillende stappen worden uitgevoerd. Deoxidatie en zuivering, raffinage van polykristallijn silicium, monokristallijn silicium ingots (siliciumstaven), tuimelen, wafersnijden, wafers polijsten, gloeien, testen, verpakken en vele andere stappen.
Ontzouting en zuivering: De grondstof voor de fabrieken waar siliciumwafers worden vervaardigd is kwartserts, de belangrijkste grondstof voor kwartserts is siliciumdioxide (SiO2). Het kwartserts wordt eerst ontgast en gezuiverd in een proces dat sortering, magnetische scheiding, flotatie, ontgassing bij hoge temperatuur, enz. omvat. De belangrijkste onzuiverheden in het erts worden verwijderd, zoals ijzer, aluminium en andere onzuiverheden. Raffineren van polykristallijn silicium: Na het verkrijgen van relatief zuiver SiO2 wordt een chemische reactie uitgevoerd om monokristallijn silicium te produceren. De hoofdreactie is SiO2 + CàSi + CO, koolmonoxide (CO) als gas, dat direct na afloop van de reactie wordt verdampt. Dus alleen de siliciumkristallen blijven over. Op dat ogenblik is het silicium polykristallijn en ruw, met enkele onzuiverheden zoals ijzer, aluminium, koolstof, boor, fosfor, koper, enzovoort. Om de overtollige onzuiverheden eruit te filteren, moet het resulterende ruwe silicium met zuur worden gewassen, gewoonlijk met behulp van zoutzuur (HCl), zwavelzuur (H2SO4), enz. Het siliciumgehalte na onderdompeling in zuur is in het algemeen meer dan 99,7%. Tijdens het beitsen worden ijzer, aluminium en andere elementen in het zuur opgelost en uitgefilterd. Silicium reageert echter ook met het zuur en vormt dan SiHCl3 (siliciumtrichloride) of SiCl4 (siliciumtetrachloride). Deze beide stoffen zijn echter gasvormig, zodat na het wassen met zuur de oorspronkelijke onzuiverheden zoals ijzer en aluminium in het zuur zijn opgelost, maar het silicium in gasvormige toestand is overgegaan. Tenslotte wordt het zeer zuivere gasvormige SiHCl3 of SiCl4 gereduceerd met waterstof om het zeer zuivere polykristallijn silicium te verkrijgen, SiHCl3+H2àSi+3HCl, SICl4+2H2àSi+4HCl. op dit punt wordt het polykristallijn silicium voor de produktie verkregen.
CZ (straight pull methode)
De methode van het recht trekken (CZ) van siliciumwafers wordt hoofdzakelijk gebruikt in logische en geheugenchips, met een marktaandeel van ongeveer 95%; de methode van het recht trekken ontstond in 1918 toen Czochralski fijne filamenten trok uit gesmolten metaal, vandaar de naam CZ-methode. Dit is vandaag de dag de dominante technologie voor de productie van monokristallijn silicium. Het hoofdproces omvat het plaatsen van polykristallijn silicium in een smeltkroes, het verhitten ervan om het te smelten, dan een stuk van het zaadkristal van monokristallijn silicium vasthouden, het boven de smeltkroes hangen en het recht trekken, met één uiteinde in de smelt gestoken tot het smelt, dan langzaam draaien en het naar boven optillen. Op deze wijze wordt een enkel kristal gevormd op het grensvlak tussen de vloeistof en de vaste stof door geleidelijke condensatie. Bovendien wordt de dopering van de wafers ook uitgevoerd tijdens het éénkristal-trekproces, gewoonlijk zowel in de vloeibare als in de gasfase. Vloeistoffasedotering betekent dat de smeltkroes gedoteerd is met elementen van het P- of N-type, die rechtstreeks in de siliciumstaaf kunnen worden getrokken tijdens het éénkristal-trekproces.
Walsing van de diameter: Aangezien het moeilijk is de diameter van de monokristallijn siliciumstaven te controleren tijdens het éénkristal trekproces, worden de staven, om standaarddiameters te verkrijgen zoals 6", 8", 12", enz. Nadat de monokristallijn is getrokken, wordt de diameter van de staaf gewalst en geslepen, wat resulteert in een glad oppervlak en een kleinere maatafwijking. Snijden en afschuinen: Nadat de ingots zijn verkregen, worden de wafers gesneden. De ingots worden op een stationaire snijmachine geplaatst en gesneden volgens het vastgestelde snijprogramma. Door de geringe dikte van de siliciumwafers zijn de randen van de gesneden wafers zeer scherp. Het doel van afschuinen is om een gladde rand te creëren. De afgeschuinde wafer heeft een lagere centrale spanning, waardoor hij sterker is en minder vatbaar voor fragmentatie bij de daaropvolgende chipfabricage. Polijsten: Het belangrijkste doel van polijsten is het oppervlak van de wafer gladder, vlak en vrij van beschadigingen te maken en te zorgen voor een consistente dikte van wafer tot wafer. Testen en verpakken: Nadat de gepolijste wafers zijn verkregen, moeten de elektrische eigenschappen van de wafers worden getest, zoals het weerstandsvermogen en andere parameters. De meeste wafer fabs hebben een epitaxiale wafer service, en als epitaxiale wafers nodig zijn, dan wordt epitaxiale wafergroei uitgevoerd. Als epiwafers niet nodig zijn, worden zij verpakt en verscheept naar andere epiwafer-fabrieken of wafer-fabrieken.
FZ (zone fusie methode)
FZ-siliciumwafers worden hoofdzakelijk gebruikt in bepaalde stroomchips, met een marktaandeel van ongeveer 4%; met de FZ-methode vervaardigde siliciumwafers worden hoofdzakelijk gebruikt in stroomapparatuur. De wafermaten zijn voornamelijk 8" en 6", waarbij ongeveer 15% van de wafers momenteel volgens de FZ-methode wordt gemaakt. In vergelijking met wafers die met de CZ-methode zijn gemaakt, wordt de FZ-methode gekenmerkt door een relatief hoog weerstandsvermogen, een hogere zuiverheid en weerstand tegen hoge spanning, maar het is moeilijker om grote wafers te maken en heeft slechte mechanische eigenschappen, zodat deze methode vaak wordt gebruikt voor wafers voor elektrische apparatuur en minder wordt toegepast in geïntegreerde schakelingen.
De zonefusiemethode voor het maken van monokristallijn siliciumstaafjes omvat in totaal drie stappen: verhitting van het polykristallijn silicium, contact van het zaadkristal en neerwaarts draaiend trekken van het monokristal. In een ovenkamer onder vacuüm of inert gas worden de staven polykristallijn silicium met behulp van een elektrisch veld verhit totdat het polykristallijn silicium in het verhitte gebied smelt, waardoor een gesmolten zone wordt gevormd. De gesmolten zone wordt vervolgens aangeraakt met zaadkristallen en gesmolten. Tenslotte wordt de gesmolten zone op het polykristallijn silicium voortdurend naar boven bewogen door de verwarmingspositie van het elektrisch veld te verplaatsen, terwijl de zaadkristallen langzaam naar beneden draaien en strekken, waardoor geleidelijk monokristallijn siliciumstaafjes worden gevormd. Omdat bij de zone-smeltmethode geen kroes wordt gebruikt, worden veel verontreinigingsbronnen vermeden en worden de met de zone-smeltmethode getrokken eenkristallen gekenmerkt door hun hoge zuiverheid.
Analyse van de productiekosten van siliciumwafers
Nieuwe energie wafer fabricagekosten
De kosten van fotovoltaïsche wafers kunnen ruwweg worden onderverdeeld in de kosten van silicium, de kosten van lange kristallen en de kosten van het snijden. Daarvan zijn de siliciumkosten het kostbaarste onderdeel, dat ongeveer 50% van de totale kosten uitmaakt. Het belangrijkste kostenverschil tussen monokristallijn silicium en polykristallijn silicium wafers zit in het langkristalproces, aangezien de vereisten voor het langkristalproces verschillend zijn tussen monokristallijn silicium en polykristallijn silicium. In het slicing-proces kan de wafer-fabrikant de kosten delen door het aantal gesneden wafers te verhogen. De apparatuur, elektriciteit, speciaal gas en arbeidskosten in het lange waferproces, enz.
Productiekosten monokristallijn silicium: Wat de kosten van silicium en het snijden betreft, is het verschil tussen monokristallijn silicium en polykristallijn silicium niet erg groot. Het lange kristaldeel is het grootste kostenverschil. Wat de kostenstructuur van monokristallijn silicium wafers betreft, bedragen de kosten van silicium ongeveer 50%, de kosten van het trekken van monokristallijn silicium staafjes ongeveer 33% van de totale kosten en de snijkosten ongeveer 17%. De kosten van de smeltkroes en de elektriciteit zijn de belangrijkste kostenbronnen in de kostenstructuur van het monokristallijn trekproces, met een totaal aandeel van ongeveer 45%. De resterende kosten worden gedomineerd door het grafietveld en de afschrijvingskosten. Wat de kosten van de kroes betreft, kan de kwartskroes die voor het trekken van éénkristallen wordt gebruikt, na hoge temperaturen, afkoeling, enz. barsten of breken, waardoor zij weer onbruikbaar wordt. Bovendien is de zuiverheid van de smeltkroes zeer hoog voor monokristallijn silicium, zodat de zuiverheid van gebruikte smeltkroezen niet kan worden gegarandeerd, en monokristallijn silicium vereist een hoge smeltkroeskwaliteit. Dit is de reden waarom smeltkroezen voor het trekken van enkele kristallen duurder zijn en niet kunnen worden hergebruikt. Wat de elektriciteitskosten betreft, hebben binnenlandse halfgeleiderwaferfabrikanten of fotovoltaïsche waferfabrikanten fabrieken gebouwd in Binnen-Mongolië, Yunnan, Guizhou en andere regio's waar de elektriciteitskosten relatief laag zijn, hetgeen bijdraagt tot de kostenvermindering. monokristallijn siliciumwafer kostenvermindering komt hoofdzakelijk voort uit drie aspecten. Ten eerste leidt de productiestijging per oven tot een verdunning van de verbruiksgoederen voor eenmalig gebruik, zoals smeltkroezen en de afschrijving van de uitrusting. Ten tweede, lagere elektriciteitskosten. Ten derde, het prijsvoordeel van de aankoop van silicium in bulk.
Polykristallijn silicium fabricagekosten: Het fabricageproces van polykristallijn silicium vereist niet het trekken van enkele kristallen, zodat de kosten van de lange kristallen relatief laag zijn. De kosten van lange kristallen maken slechts 12% van de totale kosten uit. De belangrijkste kostenbron zijn de kosten van silicium, die ongeveer 52% van de totale kosten uitmaken. Daarna volgt het snijden in de kosten, dat ongeveer 29% van de totale kosten uitmaakt. Het grafiet-hot field heeft met 28% het grootste aandeel in de kosten van polykristallijn silicium langkristal. Daarna komen de smeltkroes-, afschrijvings- en elektriciteitskosten met respectievelijk 16,7%, 16,7% en 13,9%. Aangezien polykristallijn siliciumwafers hoofdzakelijk worden gebruikt in fotovoltaïsche produkten, en de tendens bestaat dat zij geleidelijk worden vervangen door monokristallijn siliciumwafers, is er weinig ruimte voor een daling van de kosten van polykristallijn siliciumwafers.
Productie van halfgeleiderwafers
De kostencomponenten van halfgeleiderwafers zijn complexer: halfgeleiderwafers stellen hogere eisen aan zuiverheid en elektrische eigenschappen dan wafers voor nieuwe energie, zodat in het fabricageproces meer zuiveringsstappen en aanvoer van grondstoffen nodig zijn, hetgeen leidt tot een grotere verscheidenheid aan fabricagegrondstoffen. Dit resulteert in een grotere verscheidenheid aan grondstoffen voor de fabricage. Het aandeel van de siliciumkosten is derhalve relatief lager, maar het aandeel van de fabricagekosten is relatief hoger. Ondertussen is, in verhouding tot de kosten van siliciumwafers voor nieuwe energie, siliciumwafers voor halfgeleiders in directe materialen de belangrijkste bedrijfskostencomponent: voor siliciumwafers voor halfgeleiders zijn de grondstofkosten de belangrijkste kosten, goed voor ongeveer 47% van de belangrijkste bedrijfskosten. Dit wordt gevolgd door de produktiekosten, die ongeveer 38,6% vertegenwoordigen. Net als de halfgeleiderproduktie is de produktie van siliciumwafers een kapitaalintensieve industrie met een grote behoefte aan investeringen in vaste activa, hetgeen hogere produktiekosten met zich zal brengen als gevolg van de afschrijving van vaste activa zoals machines en uitrusting. Tenslotte zijn de directe arbeidskosten goed voor ongeveer 14,4%. polykristallijn silicium is de belangrijkste grondstofkostencomponent: polykristallijn silicium is de belangrijkste grondstof in de grondstofkosten van de produktie van siliciumwafers en is goed voor ongeveer 30,7%. Dit wordt gevolgd door verpakkingsmaterialen, met een aandeel van ongeveer 17,0%. Aangezien voor halfgeleiderwafers hoge eisen worden gesteld aan reinheid en vacuüm, vooral voor siliciumwafers, die zeer gevoelig zijn voor oxidatie, zijn de eisen voor verpakking veel hoger dan die voor nieuwe energiewafers. Daarom maken verpakkingsmaterialen een groter deel uit van de kostencomponent. Kwarts filterkroezen maken ongeveer 8,7% uit van de grondstofkosten. De kwartskroes die bij de vervaardiging van halfgeleiderwafers wordt gebruikt, is eveneens een wegwerpkroes, maar de fysische en thermische eigenschappen van de kroes zijn veel veeleisender. Polijstvloeistoffen, slijpschijven en polijstschijven zijn goed voor een totaal van 13,8% en worden hoofdzakelijk gebruikt bij het polijsten van siliciumwafers.
Nutsvoorzieningen maken ongeveer 15% van de produktiekosten uit: De totale kosten van de nutsvoorzieningen maken ongeveer 15% van de totale produktiekosten uit, waarbij elektriciteit ongeveer 11,4% en water ongeveer 3,4% van de totale produktiekosten uitmaken. De totale kosten van elektriciteit en water zijn vergelijkbaar met de kosten van verpakkingsmateriaal en vertegenwoordigen ongeveer de helft van het polykristallijn siliciummateriaal, volgens de financiële gegevens van de Silicon Industries Group van 2018. De elektriciteitskosten zijn iets hoger dan bij kwartskroezen, namelijk ongeveer 20%.
Belangrijkste belemmeringen voor de fabricage van wafers
De barrières voor siliciumwafers zijn hoog, vooral voor halfgeleiderwafers, en er zijn vier belangrijke barrières: technische barrières, certificeringsbarrières, apparatuurbarrières en financiële barrières.
Technische belemmeringen: De technische specificaties van siliciumwafers zijn betrekkelijk groot, met uitzondering van de gebruikelijke afmetingen, de dikte van de gepolijste wafers, enz. maar ook de vervorming, het weerstandsvermogen, de kromming, enz. van de wafers. Bij de gangbare 300mm-wafers vereist het geavanceerde proces een grotere uniformiteit van de wafers, zodat vergeleken met 200mm-wafers, vlakheid, vervorming, kromming, metaalresidu aan het oppervlak en andere parameters worden toegevoegd om de kwaliteitseisen voor 300mm-wafers te controleren. Wat de zuiverheid betreft, hebben wafers voor geavanceerde processen een zuiverheid van ongeveer 9N (99,999999999%) - 11N (99,999999999%) nodig, hetgeen de belangrijkste technische belemmering vormt voor de waferleveranciers. Siliciumwafers zijn sterk op de klant afgestemde producten; zuiverheid is de meest fundamentele parameter van siliciumwafers en vormt de belangrijkste technische belemmering. Daar komt nog bij dat siliciumwafers geen universeel product zijn en niet kunnen worden nagemaakt. Grote siliciumwafers hebben totaal verschillende specificaties van de ene gieterij tot de andere, en de verschillende toepassingen van elk eindproduct kunnen leiden tot totaal verschillende specificaties voor de vereisten voor siliciumwafers. Hierdoor moeten wafer-fabrikanten verschillende wafers ontwerpen en vervaardigen voor verschillende producten van eindgebruikers, wat de levering van wafers nog moeilijker maakt.
Certificeringsbelemmeringen: Chipfabrikanten stellen strenge eisen aan de kwaliteit van diverse grondstoffen en zijn zeer zorgvuldig bij de selectie van hun leveranciers. Er zijn hoge drempels om toegang te krijgen tot de leverancierslijsten van chipfabrikanten. Doorgaans worden leveranciers van siliciumwafers gevraagd enkele wafers te leveren voor proefproductie, meestal voor testwafers en niet voor wafers voor massaproductie. Na het slagen voor de testwafers zullen zij op proef kleine partijen wafers voor massaproduktie produceren. Na het slagen voor de interne certificatie zal de chipfabrikant de produkten naar zijn downstream-afnemers sturen en de certificatie van hun afnemer verkrijgen alvorens de uiteindelijke certificatie van de wafer-leverancier en tenslotte de ondertekening van een aankoopcontract. Het duurt lang voordat de producten van een halfgeleiderwaferbedrijf in de toeleveringsketen van de chipfabrikant terechtkomen, en de minimumcertificeringsperiode voor nieuwe leveranciers bedraagt 12-18 maanden. Bovendien is de certificatiebarrière van testwafers naar massaproduktiewafers: momenteel blijven de meeste binnenlandse 12-inch wafers in de levering van testwafers, maar de certificatieprocedures voor testwafers en massaproduktiewafers zijn totaal verschillend, en de certificatienormen voor massaproduktiewafers zijn strenger. Testwafers behoeven alleen te worden gecertificeerd door de gieterij zelf, aangezien deze geen chips fabriceert, en zij behoeven alleen te worden gecertificeerd op de huidige fabricagelocatie. Wafers voor massaproductie moeten echter worden gecertificeerd door de eindgebruiker zonder fabrieken en gedurende alle stappen van het fabricageproces worden gecontroleerd voordat zij in grote hoeveelheden kunnen worden geleverd. In het algemeen, om een stabiele aanvoer van silicium en chipopbrengsten te handhaven. Wanneer een waferfabrikant en een siliciumleverancier eenmaal een leveringsrelatie hebben opgebouwd, veranderen zij niet gemakkelijk van leverancier, en beide partijen stellen terugkoppelingsmechanismen in om aan de individuele vereisten te voldoen, en de hechtheid tussen siliciumleverancier en afnemer blijft groeien. Nieuwe wafer-fabrikanten die tot de rangen der leveranciers toetreden, moeten een nauwere band en een hogere kwaliteit wafers aanbieden dan de oorspronkelijke leveranciers. In de sector van de siliciumwafers is de kleverigheid tussen de leveranciers van siliciumwafers en de fabrikanten van wafers dus groter en is het voor nieuwere leveranciers moeilijker om die kleverigheid te doorbreken
Apparatuurbarrières: De kernuitrusting voor de vervaardiging van siliciumwafers is de monokristallijne oven, die kan worden omschreven als de "lithografiemachine" van siliciumwafers. Internationale mainstream-siliciumwaferfabrikanten vervaardigen hun eigen monokristallijne ovens. De monokristallijne ovens van Shin-Etsu en SUMCO worden bijvoorbeeld onafhankelijk door de onderneming of via haar holding ontworpen en vervaardigd, en kunnen niet door andere waferproducenten worden gekocht. Andere grote wafer-fabrikanten hebben hun eigen onafhankelijke leveranciers van monokristallijne ovens en ondertekenen strikte geheimhoudingsovereenkomsten, met als gevolg dat externe wafer-fabrikanten geen of slechts gewone monokristallijne ovens kunnen kopen, terwijl voor hoge specificaties geen monokristallijne ovens kunnen worden geleverd. Daarom is de apparatuurbarrière ook de reden waarom binnenlandse fabrikanten niet in staat zijn toe te treden tot de hoofdstroom van wereldwijde siliciumwaferleveranciers.
Financiële belemmeringen: De fabricageprocessen voor halfgeleiderwafers zijn complex en vereisen de aankoop van geavanceerde, dure productieapparatuur, die bovendien voortdurend moet worden aangepast en gedebugd overeenkomstig de verschillende behoeften van de klanten. Wegens de hoge vaste kosten, zoals de afschrijving van apparatuur, hebben veranderingen in de downstream-vraag een grotere invloed op de bezettingsgraad van siliciumwaferbedrijven, en dus op de winst van siliciumwaferproducenten. Met name bedrijven die nieuw zijn in de waferindustrie zijn bijna verliesgevend totdat zij op grote schaal kunnen gaan produceren, hetgeen hoge kapitaalbelemmeringen vereist. Aangezien fabrieken een lange certificatiecyclus voor siliciumwafers hebben, vereist deze periode bovendien voortdurende investeringen van de fabrikanten van siliciumwafers, waarvoor ook een grote hoeveelheid kapitaal nodig is.