실리콘 웨이퍼: 제조가 어렵고 장벽이 높다. 이 기사에서는 특히 실리콘 웨이퍼 기술 제조 공정, 제조 비용 분석 및 주요 장벽을 소개합니다.
실리콘 웨이퍼 제조 기술 공정
실리콘 웨이퍼의 원료는 일반적으로 모래라고 불리는 석영으로 자연에서 직접 채굴할 수 있습니다. 웨이퍼 제조 공정은 몇 단계로 완료될 수 있습니다. 결산정화, 다결정실리콘, 단실리콘잉곳(실리콘봉)의 정제, 배럴연삭, 웨이퍼절단, 웨이퍼연마, 소둔, 시험, 포장 등의 공정.
탈산 및 정제: 실리콘 웨이퍼 제조 공장의 원료는 석영 광석이며, 석영 광석의 주요 원료는 이산화규소( SiO2 )입니다. 첫째, 석영광석은 탈산에 의해 정제되며 주요공정은 분리, 자기분리, 부유선광, 고온 탈기 등이다. 주로 철, 알루미늄 및 기타 불순물과 같은 광석의 주요 불순물을 제거합니다. 다실리콘을 정제하는 것 : 비교적 순수한 SiO2를 얻은 후 화학반응을 일으켜 단결실리콘을 만든다. 주요 반응은 SiO2+CàSi+CO 이며, 일산화탄소( CO )는 기체로 반응이 완료된 직후 휘발됩니다. 따라서 실리콘 결정만 남습니다. 이때의 규소는 다결정규소이며 조규소이며 철, 알루미늄, 탄소, 붕소, 인, 구리 등의 불순물이 약간 있다. 과잉 불순물을 걸러내기 위해 조규소를 산세해야 하는데 일반적으로 사용되는 산은 염산( HCl ), 황산( H2SO4 ) 등이며 산에 담근 후의 규소 함량은 일반적으로 99.7% 이상 입니다. 산세 과정에서 철, 알루미늄 및 기타 요소도 산에 용해되어 여과됩니다. 그러나 실리콘은 또한 산과 반응하여 SiHCl3 (트리클로로실란) 또는 SiCl4 (사염화규소 ) 를 생성 합니다. 그러나 이 두 물질은 기체이므로 산세 후 원래의 철, 알루미늄 및 기타 불순물이 산에 용해되지만 규소는 기체가 됩니다. 마지막으로 고순도 기체인 SiHCl3 또는 SiCl4 를 수소로 환원하여 고순도 다결정실리콘인 SiHCl3+H2àSi+3HCl , SICl4+2H2àSi+4HCl을 얻는다 . 이때 제작용 다실리콘을 얻는다.
CZ (스트레이트 풀 방식)
쵸크 랄 스키 ( CZ ) 법 실리콘 웨이퍼는 주로 약 차지 로직 및 메모리 칩을 사용 의 95 % 시장 , 쵸크 랄 스키 제 유래 방법 1,918 때 쵸크 랄 스키는 또한 착신되도록, 용탕으로부터 얇은 필라멘트를 뽑아 CZ의 방법. 이것이 오늘날의 단실리콘 제작의 주류 기술이다. 주요 공정은 다결정실리콘을 도가니에 넣고 가열하여 녹인 후 단결정실리콘 종자결정을 죔쇠로 고정하여 도가니에 매달고 똑바로 잡아당길 때 용융물의 한쪽 끝을 녹을 때까지 삽입하고, 그런 다음 천천히 돌리십시오. 이러한 방식으로 액체와 고체 사이의 계면은 점차적으로 응축되어 단결정을 형성합니다. 이 모든 과정을 종결정을 복사하는 과정으로 볼 수 있기 때문에 생산된 실리콘 결정은 단실리콘이다. 또한, 웨이퍼 도핑도 단결정을 당기는 과정에서 이루어지며, 일반적으로 액상 도핑과 기상 도핑의 두 종류가 있다. 액상 도핑은 도가니에 P 형 또는 N 형 원소 를 도핑하는 것을 말하며 , 단결정을 당기는 과정에서 이러한 원소를 직접 실리콘 막대에 끌어당길 수 있습니다.
직경배럴연삭 : 단결정을 뽑는 과정에서 단결정콘봉의 직경조절이 어렵기 때문에 6 인치, 8 인치, 12 인치 등 표준직경의 실리콘봉을 얻기 위해 단결정을 뽑은 후 실리콘 잉곳의 직경이 텀블링되고 텀블링 된 실리콘 막대의 표면이 매끄럽고 크기 오류가 작아집니다. 절단 및 모따기: 실리콘 잉곳을 얻은 후 웨이퍼를 절단하고 실리콘 잉곳을 고정 절단기에 올려 놓고 설정된 절단 프로그램에 따라 절단을 수행합니다. 실리콘 칩의 두께가 얇기 때문에 절단 후 실리콘 칩의 모서리가 매우 날카롭습니다. 모따기의 목적은 부드러운 모서리를 형성하는 것입니다. 모따기된 실리콘 칩은 중심응력이 낮아서 더 강해지며 향후 칩 제조시 쉽게 깨지지 않는다. 연마: 연마의 주요 목적은 웨이퍼 표면을 더 매끄럽고 손상 없이 매끄럽게 만들고 각 웨이퍼 두께의 균일성을 보장하는 것입니다. 테스트 패키지: 연마된 실리콘 웨이퍼를 얻은 후 저항 및 기타 매개변수와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 테스트해야 합니다. 대부분의 실리콘 웨이퍼 공장은 에피택시 웨이퍼 서비스를 제공하며, 에피택시 웨이퍼가 필요한 경우 에피택시 웨이퍼 성장을 수행합니다. 에피택시 웨이퍼가 필요하지 않은 경우 포장되어 다른 에피택시 웨이퍼 공장이나 웨이퍼 팹으로 배송됩니다.
FZ (존 용융법)
대역 용융 ( FZ ) 실리콘 웨이퍼가 주로 약 차지 일부 전원 칩 사용 의 4 % 시장 ; 만든 실리콘 웨이퍼 와 FZ (대역 용융)을 주로 파워 디바이스로서 사용된다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 크기는 주로 8 인치와 6 인치이며 , 현재 실리콘 웨이퍼의 약 15% 가 존멜팅 방식으로 생산되고 있다. FZ 법 의 가장 큰 특징은 CZ 법으로 만든 실리콘 웨이퍼에 비해 상대적으로 저항률이 높고 순도가 높으며 고전압에 견딜 수 있다는 것입니다.디바이스 실리콘 웨이퍼는 집적 회로에서 덜 사용됩니다.
단결정단결리콘을 존용해 방식으로 만드는 방법은 다결정실리콘을 가열하고, 종자결정에 접촉시키고, 아래쪽으로 돌려 단결정을 당기는 3단계가 있다. 진공 또는 불활성 가스 환경의 화실에서 전기장을 사용하여 가열된 부분의 다실리콘이 녹을 때까지 다실리콘 봉을 가열하여 용융 영역을 형성합니다. 그런 다음 시드 결정을 사용하여 용융 영역과 접촉하여 용융합니다. 마지막으로 전계의 가열위치를 이동시켜 다실리콘의 녹은 부분을 지속적으로 위로 이동시키면서 종결정을 천천히 회전하며 아래로 뻗어 점차적으로 결단실리콘 스틱을 형성한다. 존 용융법에서는 도가니를 사용하지 않기 때문에 많은 오염원을 피하고 존 용융 패럿을 사용하는 단결정은 고순도의 특성을 갖는다.
실리콘 웨이퍼 제조 원가 분석
신에너지 실리콘 웨이퍼 제조원가
태양광 실리콘 웨이퍼의 비용은 크게 실리콘 재료 비용, 결정 성장 비용 및 절단 비용으로 나눌 수 있습니다. 이 중 실리콘 소재의 비용은 주요 비용 소비 부분으로 전체 비용 의 약 50%를 차지 합니다. 단결정실리콘과 다실리콘은 결정성장과정에 대한 요구사항이 다르기 때문에 결정성장과정에서 단결실리콘과 다실리콘의 주요 비용차이가 발생한다. 슬라이싱 공정에서 실리콘 웨이퍼 제조업체는 비용을 분담하기 위해 잘라낸 웨이퍼의 양을 늘릴 수 있습니다. 결정 성장 과정에서 장비, 전기, 특수 가스 및 인건비.
단실리콘 제조원가 : 실리콘 원가와 슬라이싱 면에서 결단실리콘과 다결정실리콘의 차이는 그리 크지 않다. 결정 성장 링크는 주요 비용 차이입니다. 단결정실리콘의 원가구조에서 실리콘 소재의 원가는 약 50% , 단결실리콘을 뽑는 비용은 전체 원가 의 약 33% , 재단비는 약 17%를 차지한다 . 단결정 풀링 공정의 비용 구조에서 도가니 비용과 전기 비용이 주요 비용원이며 이 둘을 합하면 약 45%를 차지한다 . 나머지 비용은 흑연 열장 및 감가상각비가 지배적입니다. 도가니의 가격면에서 단결정을 뽑는 석영 도가니는 고온, 냉각 및 기타 단계 후에 균열 또는 파손되어 다시 사용할 수 없게됩니다. 또한 단결정을 뽑는 것은 도가니의 높은 청정도를 요구하기 때문에 사용된 도가니는 청정도를 보장할 수 없고, 결단실리콘은 도가니의 품질에 대한 요구가 높다. 따라서 단결정을 뽑기 위한 도가니는 고가이며 재사용이 불가능하다. 전기료 측면에서 국내 반도체 웨이퍼 제조사나 태양광 웨이퍼 제조사는 내몽골, 윈난, 구이저우 등 상대적으로 전기요금이 저렴한 지역에 공장을 건설해 원가절감에 유리하다. 단결실리콘 필름의 원가절감은 크게 세 가지 측면에서 나온다. 첫째, 단일 용광로의 생산량을 늘리고 희석된 도가니와 같은 일회용 소모품 및 장비의 감가상각을 늘립니다. 둘째, 전기요금이 절감된다. 셋째, 실리콘 재료의 대량 구매의 가격 이점.
다실리콘 제조원가 : 다결정실리콘의 제조과정에서 단결정을 뽑을 필요가 없어 성장과정의 원가가 상대적으로 낮다. 결정 성장 비용은 총 비용 의 12%에 불과합니다 . 원가의 주원인은 실리콘 소재의 원가로 전체 원가 의 약 52%를 차지한다 . 두 번째는 절단 비용으로 전체 비용 의 약 29%를 차지 합니다. 다실리콘의 결정성장비용 중 흑연열장이 차지하는 비중은 28%에 달한다 . 도가니, 감가상각비, 전기 비가 각각 16.7% , 16.7% , 13.9%를 차지했습니다 . 다결정실리콘 실리콘 웨이퍼는 주로 태양광 제품에 사용되며 점차 결단실리콘 웨이퍼로 대체되고 있어 다결정실리콘 웨이퍼의 원가절감 여력은 크지 않다.
반도체 웨이퍼 제조 비용
반도체 실리콘 웨이퍼의 비용 구조는 더 복잡합니다. 반도체 실리콘 웨이퍼는 순도 및 전기적 특성 면에서 신에너지 실리콘 웨이퍼보다 요구 사항이 높기 때문에 제조 공정에서 더 많은 정제 단계와 원료 공급이 필요하므로 보다 다양화됩니다. 제조 원료의 종류 . 따라서 실리콘 재료 비용의 비율은 상대적으로 감소하지만 제조 비용의 비율은 상대적으로 증가합니다. 동시에 새로운 에너지 실리콘 웨이퍼의 비용과 비교하여 반도체 실리콘 웨이퍼의 직접 재료가 주요 운영 비용 구성 요소입니다. 반도체 실리콘 웨이퍼의 경우 원자재 비용이 주요 비용으로 전체 비용의 약 47%를 차지합니다. 주요 사업 비용 . 두 번째는 제조비용으로 약 38.6%를 차지 하며, 반도체 제조산업과 유사하게 실리콘 웨이퍼 산업은 고정자산 투자 수요가 높은 자본집약적 산업으로, 감가상각으로 인해 더 많은 제조비용이 발생한다. 기계 및 장비와 같은 고정 자산. 마지막으로 직접노무비는 약 14.4%를 차지했다 . 다결정실리콘은 원재료의 주요 원가성분 : 실리콘웨이퍼 제조원가에서 다결정실리콘이 주원료로 약 30.7%를 차지한다 . 다음으로 포장재가 약 17.0%를 차지 합니다. 반도체 실리콘 웨이퍼는 특히 매우 쉽게 산화되는 실리콘 웨이퍼에 대해 청정도 및 진공에 대한 요구 사항이 높기 때문에 패키징에 대한 요구 사항은 새로운 에너지 실리콘 웨이퍼에 대한 요구 사항보다 훨씬 더 높을 것입니다. 따라서 비용 구조에서 포장재가 상대적으로 높은 비율을 차지합니다. 석영 도가니는 원자재 비용의 약 8.7%를 차지합니다 . 반도체 실리콘 웨이퍼 제조에 사용되는 석영 도가니도 일회용 도가니이지만 도가니의 물리적, 열적 특성이 더 까다롭다. 연마액, 연마 휠, 연마 패드 는 전체 의 13.8%를 차지 하며 주로 실리콘 웨이퍼의 연마 공정에 사용됩니다.
물과 전기 비용 은 제조 비용의 약 15% 를 차지합니다 . 제조 비용에서 물과 전기 의 총 비용은 총 제조 비용 의 약 15%를 차지하며 그 중 전기 비용은 약 11.4% , 수도 비용은 약 3.4% 입니다. 이에 상응하는 금액으로 보면 2018년 실리콘산업그룹 재무자료에 따르면 전기·수도요금 총비용은 다결정실리콘에 사용되는 자재의 약 절반을 차지하는 포장재 비용에 해당한다. 전기 비용은 석영 도가니보다 약 20% 정도 약간 높습니다 .
실리콘 웨이퍼 제조의 주요 장벽
실리콘 웨이퍼는 특히 반도체 웨이퍼에 대해 상대적으로 높은 장벽을 가지고 있으며, 기술 장벽, 인증 장벽, 장비 장벽 및 자본 장벽의 4가지 주요 장벽이 있습니다.
기술적 장벽: 실리콘 웨이퍼의 기술적 지표는 상대적으로 크며 일반적인 크기, 연마된 웨이퍼의 두께 등 외에도 실리콘 웨이퍼의 휘어짐, 저항률 및 곡률도 있습니다. 주류 300mm 실리콘 웨이퍼의 경우 고급 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼의 균일성에 대한 높은 요구 사항으로 인해 200mm 웨이퍼 와 비교하여 평탄도, 뒤틀림, 곡률, 표면 금속 잔류물 및 기타 매개 변수가 300mm 를 모니터링하기 위해 추가되었습니다 . 실리콘에 대한 품질 요구 사항 웨이퍼. 순도 측면에서 고급 공정의 실리콘 웨이퍼는 9N ( 99.9999999% ) -11N(99.999999999%)이 필요 하며 이는 실리콘 웨이퍼 공급업체의 주요 기술 장벽입니다. 실리콘 웨이퍼는 고도로 맞춤화 된 제품으로 순도는 실리콘 웨이퍼의 가장 기본적인 매개 변수이자 주요 기술 장벽입니다. 또한 실리콘 웨이퍼는 범용 제품이 아니며 복제할 수 없습니다. 다양한 파운드리에서 대형 실리콘 웨이퍼의 사양은 완전히 다르며 다양한 최종 제품의 다른 용도는 실리콘 웨이퍼의 요구 사항과 사양도 완전히 다릅니다. 이것은 실리콘 웨이퍼 제조업체가 다른 최종 고객 제품에 따라 다른 실리콘 웨이퍼를 설계하고 제조해야 하므로 실리콘 웨이퍼 공급의 어려움을 증가시킵니다.
인증 장벽: 칩 제조 회사는 다양한 원자재의 품질에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있으며 공급 업체 선택에도 매우 신중합니다. 칩 제조 회사의 공급업체 목록에 진입하는 데에는 높은 장벽이 있습니다. 일반적으로 칩 제조 회사는 실리콘 웨이퍼 공급 업체에 시험 생산을 위해 일부 실리콘 웨이퍼를 제공하도록 요구하며 대부분 웨이퍼 양산 웨이퍼가 아닌 테스트 웨이퍼에 사용됩니다. 테스트 웨이퍼를 통과한 후 양산형 웨이퍼를 소량으로 시험 생산하고, 내부 인증을 통과한 후 칩 제조사가 제품을 다운스트림 고객에게 발송하고, 고객 인증을 획득하면 실리콘 웨이퍼 공급업체가 최종적으로 인증됨 구매 계약서에 서명합니다. 반도체 웨이퍼 업체의 제품이 칩 제조 업체의 공급망에 진입하는 데는 오랜 시간이 걸리며, 신규 공급업체의 인증 주기도 최단 12~18 개월 이 걸린다 . 또한 테스트 웨이퍼에서 양산 웨이퍼로의 인증 장벽 : 현재 국내 12 인치 웨이퍼 의 대부분 은 테스트 웨이퍼 공급에 남아 있지만 테스트 웨이퍼에 대한 인증 절차와 양산 웨이퍼에 대한 인증 절차 실리콘 웨이퍼 양산에 대한 인증 기준이 더 까다로워졌다. 테스트용 실리콘은 칩을 제조하지 않기 때문에 파운드리 자체 인증만 하면 되고, 현재 제조 현장에서만 인증을 받으면 된다. 그러나 양산되는 실리콘 웨이퍼의 경우 단말 팹리스 고객의 인증 을 받아야 하며, 일괄 공급되기 전에 전체 제조 공정의 각 단계에서 모니터링해야 한다. 정상적인 상황에서 실리콘 웨이퍼 공급 및 칩 수율의 안정성을 유지하기 위해. 웨이퍼 제조사와 실리콘 웨이퍼 공급업체는 한 번 공급 관계를 구축하면 공급업체를 쉽게 변경하지 않을 것이며, 쌍방은 개별 요구를 충족시키기 위한 피드백 메커니즘을 구축하고, 실리콘 웨이퍼 공급업체와 고객 사이의 끈끈함은 계속 증가한다. 새로운 실리콘 웨이퍼 제조업체가 공급업체 대열에 합류하면 원래 공급업체보다 긴밀한 협력과 더 높은 웨이퍼 품질을 제공해야 합니다. 따라서 실리콘 웨이퍼 산업에서 실리콘 웨이퍼 공급 업체와 웨이퍼 제조업체는 더 끈적 거리고 새로운 공급 업체가 끈적 끈적한 장비 장벽을 깨는 것이 더 어렵습니다. 실리콘 웨이퍼 제조를위한 핵심 장비는 단결정로입니다. 실리콘 웨이퍼로 설명됩니다. " 리소그래피 기계 " . 국제 주류 실리콘 웨이퍼 제조업체의 단결정 용해로는 모두 자체 제조됩니다. 예를 들어 , Shin-Etsu와 SUMCO 의 단결정로는 회사 또는 지주 자회사를 통해 독립적으로 설계 및 제조되며 다른 실리콘 웨이퍼 제조업체에서는 구입할 수 없습니다. 다른 주요 실리콘 웨이퍼 제조업체는 자체 독립 단결정로 공급업체를 보유하고 엄격한 기밀 유지 계약을 체결했기 때문에 외부 실리콘 웨이퍼 제조업체는 일반 단결정 용광로를 구입할 수 없거나 일반 단결정 용광로만 구입할 수 있습니다. 고사양 단결정 용광로는 사용할 수 없습니다. 따라서 장비 장벽은 국내 제조업체가 세계의 주류 실리콘 웨이퍼 공급 업체에 진입하지 못하는 이유이기도합니다. 재정적 장벽: 반도체 실리콘 웨이퍼의 제조 공정은 복잡하고 고급 및 고가의 생산 장비를 구매해야 하며 고객의 다양한 요구에 따라 지속적인 수정 및 디버깅이 필요합니다. 장비 감가상각과 같은 높은 고정 비용으로 인해 다운스트림 수요의 변화는 실리콘 웨이퍼 회사의 가동률에 더 큰 영향을 미치므로 실리콘 웨이퍼 제조 회사의 이익에 더 큰 영향을 미칩니다. 특히, 실리콘 웨이퍼 산업을 처음 접하는 기업은 출하 규모에 도달하기 전에 거의 항상 적자를 내고 있으며, 자본 장벽에 대한 요구 사항이 높습니다. 또한 웨이퍼 팹은 실리콘 웨이퍼에 대한 인증 주기가 길기 때문에 이 기간 동안 실리콘 웨이퍼 제조사들의 지속적인 투자가 필요하고, 막대한 자본금도 필요하다.