最近，美商務(wù)部出臺(tái)管制禁令，將從EDA軟件、半導(dǎo)體設(shè)備到晶圓代工等各方面升級(jí)對(duì)華為的限制，一時(shí)間，芯片斷供問題持續(xù)發(fā)酵，國產(chǎn)替代的呼聲愈發(fā)強(qiáng)烈。然而，芯片的制造是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要微電子、物理、機(jī)械、材料、化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)。今天，我們就從一名化工工程師的角度，一窺我國芯片國產(chǎn)化之路。

1965年，戈登·摩爾預(yù)測，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也會(huì)增長一倍，這便是IT屆著名的摩爾定律。3年后，身為物理化學(xué)博士的摩爾創(chuàng)辦了英特爾公司。摩爾的繼任是傳奇CEO安德魯·葛洛夫，同樣也有一條以他命名的著名定律——安迪比爾定律:“Andy gives , Bill takes away”,指的是無論英特爾提供多高的硬件性能，都會(huì)被微軟很快地消耗掉。安迪同樣也是一名化學(xué)工程博士。

在半導(dǎo)體行業(yè)的成長與發(fā)展過程中，化學(xué)化工界的前輩們做出了許多重大貢獻(xiàn)，特別是在先進(jìn)半導(dǎo)體材料的開發(fā)以及相關(guān)制造工藝領(lǐng)域有著諸多開拓性成果?，F(xiàn)如今，芯片尺寸越做越小，工藝精度要求越來越高，這又對(duì)運(yùn)用化學(xué)工程知識(shí)在納米尺度上尋求突破帶來了的全新挑戰(zhàn)。

芯片的加工工藝本質(zhì)上就是一個(gè)化工過程，而Fab也可以看作是一座大型的精密化工廠，它將原料硅經(jīng)由多種物理和化學(xué)過程加工為集成電路產(chǎn)品，制造過程中還需要用到各種高純的氣體和液體。在芯片的制造過程中涉及到很多化學(xué)工程概念，比如生產(chǎn)晶棒需要了解流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)以及結(jié)晶，沉積過程涉及到動(dòng)力學(xué)知識(shí)等等。

芯片制造工藝流程

【硅片制造】

芯片的制造是從沙子開始的，在電弧爐中用碳還原石英砂制得純度為98~99%的粗硅（SiO₂+2C→Si+2CO）。粗硅還需經(jīng)過提純和精煉生產(chǎn)純度要求為99.999999999%（別數(shù)了，11個(gè)9）的多晶硅，一般有改良西門子法（SiHCl₃+H₂→Si+3HCl）和硅烷法（SiH₄→Si+2H₂），多晶硅通過拉制得到單晶硅棒，切割后便可得到晶圓基片。

硅棒生產(chǎn)

【薄膜制備】

芯片的生產(chǎn)是一個(gè)做減法的工藝過程，即先將材料沉積在硅晶片表面，然后再有選擇性地刻蝕掉不需要的部分，保留之前設(shè)計(jì)好的圖案，便可得到所需的電路。晶圓基片經(jīng)高純試劑清洗后，首先需要在基片表面形成一層SiO₂薄膜，薄膜制備可以通過氧化、化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等方法進(jìn)行。最傳統(tǒng)的制膜工藝是熱氧化法，即把晶片放入高溫爐中加熱，氧氣在硅表面起化學(xué)作用，形成均勻薄膜層（Si+O₂→SiO₂）。化學(xué)氣相沉積（CVD）是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)，使得氣態(tài)前驅(qū)體中某些成分分解，而在基體上形成固態(tài)薄膜的技術(shù)。比如硅烷在含氧氣氛中在襯底表面熱分解，并與氧氣反應(yīng)便可生成SiO₂薄膜（SiH₄+2O₂→SiO₂+2H₂O）。

氣相沉積

【光刻蝕】

　　芯片制造過程中，集成電路的形成主要依靠的是光刻和刻蝕（簡稱光刻蝕）。光刻是在硅片表面通過旋轉(zhuǎn)離心均勻地在表面涂敷上一層光刻膠，通過光學(xué)掩模版和曝光顯影技術(shù)將設(shè)計(jì)好的電路圖案投影到光刻膠上。然后以復(fù)制到光刻膠上的集成電路圖形為掩膜，利用刻蝕技術(shù)對(duì)下層材料進(jìn)行化學(xué)腐蝕。襯底薄膜表面被光刻膠覆蓋的部分不會(huì)被刻蝕，而未被覆蓋的部分可精確可控地除去襯底表面一定深度的薄膜物質(zhì)，最終得到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

光刻蝕工藝原理

刻蝕可分為濕法刻蝕和干法刻蝕，濕法刻蝕是通過特定溶液與薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比如硅刻蝕常用硝酸與氫氟酸的混合溶液（3Si+4HNO₃+18HF→3H₂SiF₆+4NO+8H₂O）；干法刻蝕則通過等離子體與薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比如以Cl₂刻蝕除去SiO₂膜（Cl₂→2Cl, Si+2Cl→SiCl_2, SiCl₂+2Cl→SiCl₄）。

【摻雜】

　　本征半導(dǎo)體中由于隨機(jī)熱振動(dòng)而產(chǎn)生了少量的帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，其導(dǎo)電能力較差。但如果在其中摻入某種特定雜質(zhì)成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，導(dǎo)電性能將會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化。N-型和P-型半導(dǎo)體就是分別摻入了五價(jià)雜質(zhì)元素和三價(jià)雜質(zhì)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，從圖中可以看出，每引入一個(gè)磷原子，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自由電子，而每引入一個(gè)鋁原子，便會(huì)增加一個(gè)空穴，導(dǎo)電能力因此而得到提高。把N、P兩種半導(dǎo)體放到一起就變成了具有單向?qū)щ娦缘腜N結(jié)，芯片其實(shí)就是直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。所以在這里，摻雜的目的是為了改變半導(dǎo)體的電特性。

工業(yè)上，高溫?cái)U(kuò)散和離子注入是兩種主要的摻雜方式。比如，使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散過程中發(fā)生以下反應(yīng):4POCl₃+3O₂→2P₂O₅+6Cl₂，P₂O₅在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷：2P₂O₅+5Si→4P+5SiO₂。

最后，再由溶劑或者氣體等離子體除去光刻膠保護(hù)層，便完成了一次工藝流程，芯片離開集成電路廠送去封裝和測試。

由此可見，芯片在生產(chǎn)制造中涉及到大量的傳遞和反應(yīng)工程等化工知識(shí)。除此之外，化工工程師還為芯片生產(chǎn)創(chuàng)造了至關(guān)重要的超凈環(huán)境。當(dāng)今半導(dǎo)體設(shè)備的凈化要求可以說比食品加工更為嚴(yán)格，容不得一點(diǎn)雜質(zhì)。晶圓生產(chǎn)需要在無塵的潔凈室內(nèi)進(jìn)行，通過復(fù)雜的顆粒捕集和空氣過濾系統(tǒng)，控制空氣中的粉塵、微生物和各類氣體含量，同時(shí)還要控制風(fēng)量以維持室內(nèi)一定的正壓。

潔凈室內(nèi)身穿防護(hù)服的工程師

　　生產(chǎn)過程中使用的大量化學(xué)品同樣可能會(huì)引入雜質(zhì)，僅僅使用超高純度的化學(xué)品是不夠的，必須在整個(gè)供應(yīng)鏈和生產(chǎn)流程中使用合適的提純過濾、儲(chǔ)運(yùn)和流體處理設(shè)備。因此，化工工程師不僅需要掌握各類化學(xué)品純化技術(shù)，還需在選型時(shí)保證各類容器、管道、閥門、泵等設(shè)備在生產(chǎn)中不會(huì)引入雜質(zhì)。比如，水是芯片制造過程中消耗的主要原材料，一座半導(dǎo)體制造廠的用水量堪比一座小城市，這些水需經(jīng)由過濾、離子交換、膜分離等多道純化工藝才可用作工藝用水，目前，半導(dǎo)體制造廠正致力于研發(fā)新的水凈化和廢水循環(huán)回用技術(shù)。

電子化學(xué)品又被稱為電子化工材料，是指為電子工業(yè)配套的各類精細(xì)化工產(chǎn)品。俗話說，兵馬未動(dòng)，糧草先行，電子化學(xué)品就是半導(dǎo)體行業(yè)不可或缺的“糧草”。

大家可能都知道我國在光刻機(jī)等半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域被西方國家卡脖子，而處于上游的半導(dǎo)體材料同樣高度依賴于美日等化工巨頭，我國大硅片、靶材、CMP拋光墊、高端光刻膠等半導(dǎo)體材料的對(duì)外依存度高達(dá)90%以上。

去年的日韓貿(mào)易戰(zhàn)，日本限制向韓國出口氟化聚酰亞胺、光刻膠、電子級(jí)氫氟酸這三種電子化學(xué)品，韓國半導(dǎo)體廠商的庫存僅夠保證一個(gè)月的供應(yīng)。這次事件帶給我們的啟示不可謂不大，半導(dǎo)體材料的國產(chǎn)化同樣是刻不容緩。我們看最近國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金投資的企業(yè)，除了中芯、長江存儲(chǔ)、紫光等芯片設(shè)計(jì)與制造公司，還能看到雅克科技、鑫華半導(dǎo)體材料、巨化等諸多化工企業(yè)的身影。隨著半導(dǎo)體制造產(chǎn)能加速向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，國家扶持產(chǎn)業(yè)政策和基金密集出臺(tái)，半導(dǎo)體材料國產(chǎn)替代進(jìn)程加快，相關(guān)精細(xì)化工材料或成為未來幾年中化工行業(yè)的風(fēng)口。下面我們一起來看一看有哪些半導(dǎo)體材料以及它們的國產(chǎn)化進(jìn)程。

預(yù)測不同半導(dǎo)體材料國產(chǎn)化進(jìn)程存在差異

【晶圓材料】

目前晶圓材料可分為第一代Si、Ge，第二代GaAs、InP等，第三代GaN、SiC等，其中硅的提純與結(jié)晶工藝最為成熟，硅片的使用也最為廣泛。由于晶圓尺寸越大，同一晶圓能生產(chǎn)的芯片越多，生產(chǎn)效率越高，因此硅片尺寸越做越大，目前已發(fā)展到18英寸，而如今國內(nèi)企業(yè)多為8英寸以下生產(chǎn)線，僅上海硅產(chǎn)業(yè)、中環(huán)等少量企業(yè)開始進(jìn)入12英寸的晶圓生產(chǎn)。在全球硅片市場中，日本信越化學(xué)、日本勝高、臺(tái)灣環(huán)球晶圓、德國Siltronic、韓國LG Siltron五大巨頭壟斷了95%的市場份額。

硅片生產(chǎn)流程

【電子特氣】

從芯片生長到最后的器件封裝，幾乎每一步、每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開電子特氣，它很大程度上決定了半導(dǎo)體器件性能的好壞。電子特氣純度每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，都能極大地推動(dòng)半導(dǎo)體器件質(zhì)的飛躍，是名副其實(shí)的電子工業(yè)“血液”。

電子氣體用途廣泛

電子特氣行業(yè)的技術(shù)壁壘，一是深度提純難度較大，以硅烷為例，將其純度由4N提純到6N中間有漫長的道路，除了要解決普通氣態(tài)雜質(zhì)的純化問題，還要將金屬元素凈化到10^-9級(jí)至10^-12級(jí)。二是儲(chǔ)運(yùn)、包裝上應(yīng)避免二次污染的發(fā)生。三是分析檢驗(yàn)技術(shù)的研發(fā)同樣非常重要。

小編導(dǎo)師研發(fā)的高純硅烷生產(chǎn)技術(shù)