Кремнієва пластина: вона важка у виробництві і має високі бар’єри. У цій статті конкретно представлено процес виробництва технології кремнієвих пластин, аналіз витрат на виробництво та основні бар’єри.
Технологічний процес виробництва кремнієвих пластин
Сировиною кремнієвих пластин є кварц, який зазвичай називають піском, який можна добувати безпосередньо в природі. Процес виробництва пластин можна завершити за кілька кроків. Очищення дезоксигенацією, рафінування полікристалічного кремнію, монокристал кремнійного злитка (кремнієвий стрижень), шліфування стовбура, нарізка пластин, полірування пластин, відпал, випробування, пакування та інші етапи.
Розкислення та очищення: Сировиною заводу з виробництва кремнієвих пластин є кварцова руда, а основною сировиною кварцової руди є діоксид кремнію (SiO2). По -перше, кварцову руду очищають шляхом дезоксигенації, основними процесами є сортування, магнітне відділення, флотація, дегазація при високих температурах тощо. В основному видаляйте основні домішки в руді, такі як залізо, алюміній та інші домішки. Переробка полікристалічного крему Основною реакцією є SiO2+CàSi+CO, а окис вуглецю (CO) - це газ, який випаровується безпосередньо після завершення реакції. Тож залишаються лише кристали кремнію. Кремній в цей час являє собою полікристалічний кремній, і це сирий кремній, і є деякі домішки, такі як залізо, алюміній, вуглець, бор, фосфор, мідь та інші елементи. Для того, щоб відфільтрувати зайві домішки, неочищений кремній необхідно протравити.Зазвичай використовуваними кислотами є соляна кислота (HCl), сірчана кислота (H2SO4) тощо. Вміст кремнію після замочування в кислоті зазвичай перевищує 99,7%. У процесі травлення, хоча залізо, алюміній та інші елементи також розчиняються у кислоті та відфільтровуються. Але кремній також реагує з кислотою з утворенням SiHCl3 (трихлорсилан) або SiCl4 (тетрахлорид кремнію). Але обидві ці речовини є газоподібними, тому після протравлення вихідне залізо, алюміній та інші домішки розчинилися в кислоті, але кремній став газоподібним. Нарешті, газоподібний SiHCl3 або SiCl4 з високою чистотою відновлюють воднем з отриманням полікристалічного кремнію високої чистоти, SiHCl3+H2àSi+3HCl, SICl4+2H2àSi+4HCl. В цей час отримують полікристалічний кремній для виробництва.
CZ (метод прямого витягування)
Кремнієві пластини методом Чохральського (CZ) в основному використовуються в логічних та мікросхемах пам'яті, на них припадає близько 95% ринку; Метод Чохральського вперше виник у 1918 році, коли Чохральський витягнув тонкі нитки з розплавленого металу, тому його також називають методом CZ. Це основна технологія виробництва монокристалу кремнію. Основний процес - помістити полікристалічний кремній у тигель, нагріти його до розплавлення, а потім затиснути шматочок насіннєвого кристала монокристалу кремнії, підвісити його до тигля і протягнути одним кінцем до розплаву, а потім повільно обертати . Підтягніться. Таким чином, розділ між рідиною та твердим тілом буде поступово конденсуватися, утворюючи монокристал. Оскільки весь процес можна розглядати як процес копіювання затравочного кристала, генерований кристал кремнію є монокристалом кремнію. Крім того, легування пластин також здійснюється в процесі витягування монокристала, і зазвичай існує два типи легування рідкою фазою та легування газовою фазою. Легування рідкою фазою відноситься до легування елементів типу P або N. У тигле.
Бочкове фрезерування: Оскільки у процесі витягування монокристалів важко контролювати діаметр стрижнів монокристалу кремнію, щоб отримати кремнієві стрижні стандартного діаметру, такі як 6 дюймів, 8 дюймів, 12 дюймів тощо. Після витягування монокристалу діаметр кремнієвого злитка буде падати, а поверхня стержня з кремнію буде гладкою, а похибка розміру буде меншою. Різання та зняття фасок: Після отримання кремнієвого злитка пластина розрізається, кремнієвий злиток поміщається на нерухому різальну машину, а різання проводиться відповідно до встановленої програми різання. Через невелику товщину кремнієвої стружки кромка кремнієвої стружки після різання дуже гостра. Метою зняття фасок є формування гладкого краю. Крімнієві скошені скошені мають меншу центральну напругу, що робить його міцнішим, і його нелегко зламати в майбутньому виробництві стружки. Полірування: Основною метою полірування є зробити поверхню пластини більш гладкою, гладкою без пошкоджень та забезпечити рівномірність товщини кожної пластини. Тестовий пакет: Після отримання полірованої кремнієвої пластини необхідно перевірити електричні характеристики кремнієвої пластини, такі як питомий опір та інші параметри. Більшість заводів кремнієвих пластин надають послуги з епітаксіальної пластини. Якщо епітаксійні пластини не потрібні, вони будуть упаковані та відправлені на інші фабрики для виробництва епітаксійних вафель або вафельні фабрики.
FZ (метод плавлення зони)
Кремнієві пластини з зональним плавленням (FZ) в основному використовуються в деяких силових чіпах, на них припадає близько 4% ринку; кремнієві пластини, виготовлені з FZ (зонне плавлення), в основному використовуються як силові пристрої. Крім того, розмір кремнієвих пластин в основному становить 8 дюймів і 6 дюймів. В даний час близько 15% кремнієвих пластин виготовляється шляхом зонного плавлення. Порівняно з кремнієвими пластинами, виготовленими методом CZ, найбільшою особливістю методу FZ є те, що питомий опір є відносно високим, чистота вища і він витримує високу напругу. Кремнієві пластини для пристроїв рідко використовуються в інтегральних схемах.
Існує три кроки для виготовлення монокристалічної кремнійної палички методом зонного плавлення: нагрівання полікристалічної кремнії, контактування із затравним кристалом та обертання його вниз, щоб витягнути монокристал. У камері печі в середовищі вакууму або інертного газу електричне поле використовується для нагрівання полікристалічного кремнійного стрижня, поки полікристалічний кремній у нагрітій зоні не розплавиться з утворенням зони плавлення. Потім насіннєвий кристал використовується для контакту з зоною плавлення та розплавлення. Нарешті, переміщаючи положення нагрівання електричного поля, розплавлена площа на полікристалічному кремнії безперервно переміщується вгору, тоді як насіннєвий кристал повільно обертається і розтягується вниз, поступово утворюючи монокристальний стрижень кремнії. Оскільки тигли не використовуються в методі зонального плавлення, уникається багатьох джерел забруднення, а монокристал, що використовує фарад зонної плавки, має характеристики високої чистоти.
Аналіз вартості виробництва кремнієвих пластин
Вартість виробництва нової енергетичної кремнієвої пластини
фотоелектричні елементи Вартість кремнієвої пластини можна умовно поділити на вартість кремнієвого матеріалу, вартість зростання кристалів та вартість різання. Серед них вартість кремнієвого матеріалу є основною витратною частиною, що становить близько 50% загальної вартості. Оскільки монокристальний кремній та полікристалічний кремній мають різні вимоги до процесу зростання, основна різниця у вартості між монокристалічним кремом та полікристалічним полікристалічним. У процесі нарізки виробники кремнієвих пластин можуть збільшити кількість вирізаних пластин, щоб поділити вартість. Витрати на обладнання, електроенергію, спеціальний газ та робочу силу в процесі зростання кристалів.
Вартість виробництва монокристальної кремнії: з точки зору вартості кремнію та нарізки, різниця між монокристалічною кремнією та полікристалічною кремнією не дуже велика. Основна відмінність у вартості - це зростання кристалів. Зі структури витрат на монокристал кремнію вартість кремнієвого матеріалу становить близько 50%, вартість витягування монокристал кремнійних стрижнів становить близько 33%від усієї вартості, а вартість різання - близько 17%. У структурі витрат на процес витягування монокристалів витрати на тигель та витрати на електроенергію є основними джерелами витрат, і разом вони складають близько 45%. У решті витрат переважають графітові термічні поля та витрати на амортизацію. З точки зору вартості тигля, кварцовий тигель для витягування монокристала трісне або зламається після високих температур, охолодження та інших кроків, що унеможливлює його повторне використання. Крім того, оскільки витягування монокристалів має високі вимоги до чистоти тигля, використаний тигель не може гарантувати чистоту, а монокристал кремнію вимагає високої якості тигля. Тому тигель для витягування монокристалів коштує дорого і не може бути використаний повторно. З точки зору витрат на електроенергію, вітчизняні виробники напівпровідникових пластин або фотоелектричних елементів пластини побудували заводи в районах з відносно низькими витратами на електроенергію, таких як Внутрішня Монголія, Юньнань та Гуйчжоу, що сприяє скороченню витрат. Зниження вартості монокристальної кремній плівки в основному відбувається з трьох аспектів. По -перше, збільште випуск однієї печі та амортизуйте одноразові витратні матеріали та обладнання, таке як розбавлені тиглі. По -друге, зменшується вартість електроенергії. По -третє, цінова перевага оптової закупівлі кремнієвих матеріалів.
вартість виробництва полікристалічного кремнію: полікристалічний кремній не потребує витягування монокристалу у процесі виробництва, тому вартість ланки зростання кристалів відносно низька. Вартість зростання кристалів становить лише 12% загальної вартості. Основним джерелом витрат є вартість кремнієвого матеріалу, на яку припадає близько 52% загальної вартості. Друге - це вартість скорочення, на яку припадає близько 29% загальної вартості. У вартості полікристалічного кремнію найбільшу частку становить графітове теплове поле, яке досягає 28%. Далі йдуть тигель, амортизація та витрати на електроенергію, на яких припадає 16,7%, 16,7% та 13,9% відповідно. Оскільки полікристалічні кремнієві кремнієві пластини в основному використовуються у виробах з фотоелектричних елементів, і існує тенденція поступової заміни їх монокристалічними кремнієвими пластинами, тому вартість полікремній пластин не велика.
Вартість виробництва напівпровідникових пластин
Структура витрат на напівпровідникові кремнієві пластини є більш складною: напівпровідникові кремнієві пластини мають вищі вимоги щодо чистоти та електричних характеристик, ніж нові кремнієві пластини для енергії, тому в процесі виробництва потрібні додаткові етапи очищення та постачання сировини, що призводить до більш диверсифікованої види виробничої сировини. Тому частка витрат на кремнієвий матеріал відносно зменшується, але частка витрат на виробництво відносно зросте. У той же час, порівняно з вартістю нових пластин кремнію з енергії, прямий матеріал напівпровідникових кремнієвих пластин є основною складовою експлуатаційних витрат: для напівпровідникових кремнієвих пластин вартість сировини є основною вартістю, що становить близько 47% основна вартість бізнесу. Другий-це витрати на виробництво, що становить близько 38,6%. Подібно до виробництва напівпровідникових виробництв, галузь кремнієвих пластин є капіталомісткою галуззю з високим попитом на інвестиції в основні фонди, і вищі виробничі витрати будуть понесені через амортизацію основних засобів. активи, такі як машини та обладнання. Нарешті, прямі витрати на оплату праці становлять приблизно 14,4%. полікристалічний кремній є основним компонентом витрат сировини: у сировині, витраті на виробництво кремнієвих пластин, полікристалічний кремній кремній є основною сировиною, що становить близько 30,7%. Другий - пакувальні матеріали, на них припадає близько 17,0%. Оскільки напівпровідникові кремнієві пластини пред'являють високі вимоги до чистоти та вакууму, особливо до кремнієвих пластин, які є надзвичайно окислюваними речовинами, вимоги до упаковки будуть набагато вищими, ніж до кремнієвих пластин нової енергії. Тому в структурі витрат пакувальні матеріали становлять відносно високу частку. На кварцовий тигель припадає приблизно 8,7% витрат на сировину. Кварцові тиглі, що використовуються у виробництві напівпровідникових кремнієвих пластин, також є одноразовими тиглями, але фізичні та теплові характеристики тигля більш вимогливі. Полірувальна рідина, шліфувальні круги та полірувальні накладки складають 13,8% від загальної кількості, і вони в основному використовуються у процесі полірування кремнієвих пластин.
Витрати на воду та електроенергію становлять близько 15% виробничих витрат: у виробничих витратах загальна вартість води та електроенергії становить близько 15% загальних виробничих витрат, з яких електроенергія коштує близько 11,4%, а вода - близько 3,4%. Згідно з відповідною сумою, згідно з фінансовими даними Кремнієвої промислової компанії за 2018 рік, загальна вартість плати за електроенергію та воду еквівалентна вартості пакувальних матеріалів, що становить близько половини полікристалічних кремній матеріалів. Вартість електроенергії трохи вище, ніж у кварцового тигля приблизно на 20%.
Основні перешкоди для виробництва кремнієвих пластин
Кремнієві пластини мають відносно високі бар'єри, особливо для напівпровідникових пластин. Існує чотири основні бар'єри: технічні бар'єри, бар'єри для сертифікації, бар'єри для обладнання та бар'єри капіталу.
Технічні бар'єри: Технічні показники кремнієвих пластин відносно великі. Крім загального розміру, товщини полірованої пластини тощо, існують також деформація, питомий опір та кривизна кремнієвої пластини. Для основних кремнієвих пластин 300 мм через високі вимоги до рівномірності кремнієвих пластин у просунутих виробничих процесах порівняно з пластинами 200 мм для моніторингу 300 мм були додані рівність, викривлення, кривизна, поверхневі металеві залишки та інші параметри. вафлі. З точки зору чистоти, кремнієві пластини з вдосконаленим процесом вимагають близько 9N (99,99999999%) -11N (99,9999999999%), що є основним технічним бар'єром для постачальників кремнієвих пластин. Кремнієва пластина - високопродуктивний продукт; чистота - це основний параметр кремнієвої пластини, а також основний технічний бар’єр. Крім того, кремнієві пластини не є універсальними продуктами і їх неможливо копіювати. Технічні характеристики великих кремнієвих пластин у різних ливарних заводах абсолютно різні, і різне використання різних кінцевих продуктів також призведе до абсолютно різних вимог та специфікацій кремнієвих пластин. Це вимагає від виробників кремнієвих пластин проектувати та виготовляти різні кремнієві пластини відповідно до різних продуктів кінцевих споживачів, що збільшує складність постачання кремнієвих пластин.
Перешкоди для сертифікації: Компанії -виробники чіпів мають жорсткі вимоги до якості різної сировини, і вони також дуже обережні у виборі постачальників. Існують високі бар'єри для вступу до списку постачальників компаній -виробників чіпів. Зазвичай компанії -виробники чіпів вимагатимуть від постачальників кремнієвих пластин надати деякі кремнієві пластини для пробного виробництва, і більшість із них використовується для тестових пластин, а не для пластин масового виробництва. Після проходження тестових пластин, пластини масового виробництва будуть випробовуватись невеликими партіями. Після проходження внутрішньої сертифікації компанія-виробник чіпів надішле продукцію наступним клієнтам. Після отримання сертифікату клієнта постачальником кремнієвих пластин буде нарешті Підписати договір купівлі -продажу. Щоб продукція напівпровідникових вафельних компаній увійшла в ланцюжок поставок компаній-виробників чіпів, потрібно багато часу, а найкоротший цикл сертифікації для нових постачальників також займає 12-18 місяців. Крім того, перешкоди для сертифікації від тестових вафель до вафель масового виробництва: наразі більшість вітчизняних 12-дюймових пластин залишаються на постачанні тестових вафель, але процедури сертифікації тестових вафель та процедури сертифікації вафель масового виробництва Сертифікація для кремнієвих пластин масового виробництва Стандарти є більш жорсткими. Оскільки випробовуваний кремній не виробляє чіпів, його потрібно лише сертифікувати ливарним заводом, а лише сертифікувати на поточному виробничому майданчику. Але для кремнієвих пластин масового виробництва вони повинні бути сертифіковані замовником без терміналів і повинні контролюватися на кожному етапі всього виробничого процесу, перш ніж їх можна буде поставляти партіями. За звичайних обставин, для підтримки стабільності подачі кремнієвої пластини та виходу стружки. Після того, як виробник пластин та постачальник кремнієвих пластин налагодять відносини між постачальниками, вони не зможуть легко змінити постачальників, і обидві сторони встановили механізм зворотного зв'язку для задоволення індивідуальних потреб, а липкість між постачальниками та клієнтами кремнієвих пластин продовжує зростати. Якщо новий виробник кремнієвих пластин приєднується до рядів постачальників, він повинен забезпечити тіснішу співпрацю та вищу якість пластин, ніж оригінальний постачальник. Тому в промисловості кремнієвих чіпів постачальники кремнієвих чіпів та виробники пластин мають більшу липкість, а новим постачальникам важче розірвати липкість.
Перешкоди для обладнання: Основним обладнанням для виробництва кремнієвих пластин є монокристалічна піч, яку можна охарактеризувати як "літографічну машину" в кремнієвих пластинах. Монокристалічні печі міжнародних світових виробників кремнієвих пластин виготовляються своїми руками. Наприклад, монокристалічні печі Shin-Etsu та SUMCO незалежно від проектування та виробництва компанії або через дочірнє підприємство холдингу, які не можуть бути придбані іншими виробниками кремнієвих пластин. Інші великі виробники кремнієвих пластин мають своїх незалежних постачальників монокристалічних печей і підписали суворі угоди про конфіденційність. У результаті зовнішні виробники кремнієвих пластин не можуть купувати або можуть купувати лише звичайні монокристалічні печі. Для монокристалічних печей високої специфікації недоступно. Тому бар'єр для обладнання також є причиною того, що вітчизняні виробники не можуть увійти до основних постачальників кремнієвих пластин у світі.
Фінансові бар'єри: Процес виробництва напівпровідникових кремнієвих пластин є складним і вимагає придбання сучасного та дорогого виробничого обладнання, а також постійної модифікації та налагодження відповідно до різних потреб клієнтів. Через високі постійні витрати, такі як амортизація устаткування, зміни попиту в низхідній течії мають більший вплив на коефіцієнт використання виробничих потужностей компаній із кремнієвих пластин, а отже, мають більший вплив на прибуток компаній -виробників кремнієвих пластин. Зокрема, компанії, які є новачками в галузі виробництва кремнієвих пластин, майже завжди були в збитку, поки не досягли масштабу поставок, і мають високі вимоги до бар'єрів капіталу. Крім того, оскільки фабрика з пластин має тривалий цикл сертифікації кремнієвих пластин, вона вимагає постійних інвестицій виробників кремнієвих пластин протягом цього періоду, а також потрібен великий капітал.