LED外延片

　　半導(dǎo)體制造商主要用拋光Si片（PW）和外延Si片作為IC的原材料。20世紀(jì)80年代早期開(kāi)始使用外延片，它具有標(biāo)準(zhǔn)PW所不具有的某些電學(xué)特性并消除了許多在晶體生長(zhǎng)和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
歷史上，外延片是由Si片制造商生產(chǎn)并自用，在IC中用量不大，它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2～20μm，而襯底Si厚度為610μm（150mm直徑片和725μm（200mm片）。

　　外延沉積既可（同時(shí)）一次加工多片，也可加工單片。單片反應(yīng)器可生產(chǎn)出質(zhì)量最好的外延層（厚度、電阻率均勻性好、缺陷少）；這種外延片用于150mm“前沿”產(chǎn)品和所有重要200 mm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

外延產(chǎn)品

　　外延產(chǎn)品應(yīng)用于4個(gè)方面，CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產(chǎn)品是外延片的最大應(yīng)用領(lǐng)域，并被IC制造商用于不可恢復(fù)器件工藝，包括微處理器和邏輯芯片以及存儲(chǔ)器應(yīng)用方面的閃速存儲(chǔ)器和DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。分立半導(dǎo)體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”（exotic）半導(dǎo)體類(lèi)包含一些特種產(chǎn)品,它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導(dǎo)體材料并入外延層中。掩埋層半導(dǎo)體利用雙極晶體管元件內(nèi)重?fù)诫s區(qū)進(jìn)行物理隔離，這也是在外延加工中沉積的。

　　目前，200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋層在內(nèi)，用于邏輯器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。到2005年，CMOS邏輯將占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。

市場(chǎng)動(dòng)力

　　上世紀(jì)90年代中期，CMOS外延片用量增加的趨勢(shì)已經(jīng)出現(xiàn)。1997～1998年間，半導(dǎo)體“滑坡”，IC公司按器件工藝“藍(lán)圖”（最小線(xiàn)寬縮小速率）更好利用Si表面“現(xiàn)實(shí)”狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)和因特網(wǎng)應(yīng)用的急劇增長(zhǎng)，推動(dòng)200mm和300mm晶片工藝向0.18μm及更小尺寸方面發(fā)展，其中許多（器件）并入了復(fù)雜的單芯片/一個(gè)芯片上的系統(tǒng)。為達(dá)到所需器件性能和成本率目標(biāo)，外延片優(yōu)于拋光片，因?yàn)橥庋悠�的缺陷密度低、吸雜性能好，電學(xué)性能（如鎖存效應(yīng)）也好，且易于制造。外延片讓器件制造商很自然地由200mm晶片過(guò)渡到300mm晶片而不必改變?cè)O(shè)計(jì)從而節(jié)省了時(shí)間和投資。

　　隨著工藝上傾向于重視外延片，市場(chǎng)上相應(yīng)地增加了CMOS器件用外延片的供應(yīng)。1996年前，外延片價(jià)格明顯高于拋光片，這就妨礙了它作為IC原材料的使用。相應(yīng)于90年代晶片出現(xiàn)短缺，Si片制造商紛紛擴(kuò)大其生產(chǎn)能力，但這又受到1996～1998年間工業(yè)蕭條的打擊：于是出現(xiàn)供過(guò)于求，導(dǎo)致Si價(jià)格大幅下滑，2～3年間，下降50%。收入劇減，加之難以降低生產(chǎn)成本，迫使晶片制造商縮減擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃、推遲300mm進(jìn)程，減少研發(fā)投資以降低成本。1996年，晶片制造商投資其收入的55%用于擴(kuò)大生產(chǎn)能力，到2000年，則減少到小于10%。
這些市場(chǎng)壓力使晶片制造商降低外延片的價(jià)格，使許多IC制造商轉(zhuǎn)向使用150 mm和200 mm外延片，這可使他們從外延片所顯示的“產(chǎn)權(quán)成本/性能比”優(yōu)勢(shì)中獲益。2000年，直徑200 mm外延片價(jià)格比相同直徑拋光片高20%～30%，而在90年代中期，外延片價(jià)格要高出50%。

　　雖然過(guò)去兩年IC市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，但晶片制造商生產(chǎn)能力未跟上，晶片顯得供不應(yīng)求。下一代200 mm和300 mmPW要求采用新的生長(zhǎng)工藝，而這會(huì)大大降低成品率、減少產(chǎn)量。IC和器件工藝發(fā)展（最小線(xiàn)寬減小，缺陷密度、吸雜及晶體原生顆粒，COP等問(wèn)題）與現(xiàn)實(shí)的低成本晶片的缺乏不相一致，這樣，是選擇拋光片還是外延片就提到日程上來(lái)了。代替拋光片的辦法包括經(jīng)H2和Ar氣氛中退火的晶片，在成本、制造重復(fù)性和產(chǎn)品性能方面，這兩種辦法是有效的。外延片需要大批量晶體進(jìn)行加工，這可使晶片制造商擴(kuò)大現(xiàn)行襯底生產(chǎn)能力而很少甚至不需要添加另外的設(shè)備。（東芝陶瓷信越半導(dǎo)體、MEMC電子材料公司，瓦克Siltronic公司等）晶片制造商已提出若干新的外延工藝以解決COP和吸雜問(wèn)題，同時(shí)要努力降低成本和提高產(chǎn)量。

采用外延片可能存在的問(wèn)題

　　由于工業(yè)發(fā)展的周期性起伏和可變性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)半導(dǎo)體市場(chǎng)是困難的。同樣，預(yù)測(cè)CMOS用外延片的增長(zhǎng)受到若干因素的影響，主要有：1）市場(chǎng)疲軟導(dǎo)致Si 片過(guò)剩，這使晶片制造商收入下降，因而限制甚至取消另外投資外延片生產(chǎn)計(jì)劃，而外延片供應(yīng)不足或缺乏，又使IC廠(chǎng)轉(zhuǎn)而使用拋光片。與無(wú)線(xiàn)及因特網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品需求下降也會(huì)減少對(duì)外延片的需求。2）外延片沒(méi)有產(chǎn)權(quán)成本優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于拋光片也沒(méi)有成品率或性能方面的“好處”，從而不能保證得到較高的“取得成本”（acguisition cost）200 mm和300 mm產(chǎn)品，如能成功（地解決某些質(zhì)量問(wèn)題）就無(wú)需利用外延片。

將來(lái)的市場(chǎng)

　　雖然市場(chǎng)疲軟，但外延片所受沖擊可望很小，200 mm晶片在2000年第3季度，達(dá)到供/需平衡，2000年間任一方面市場(chǎng)增長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致求過(guò)于供，即將出現(xiàn)的晶片短缺的程度則難以確定，晶片廠(chǎng)不愿意甚至不能擴(kuò)大生產(chǎn)（包括外延片生產(chǎn)）會(huì)造成外延片供應(yīng)緊張。200 mm晶片需求預(yù)測(cè)表明：與2000年比，2005年的需求量會(huì)擴(kuò)大40%～60%，（7百萬(wàn)～8百萬(wàn)片/月）甚至100%（1千萬(wàn)片/月），在此期間，200 mm外延片由38%用量增長(zhǎng)到50%；300 mm晶片開(kāi)始使用時(shí)，外延片可望占到～70%。

　　今天許多高增長(zhǎng)率產(chǎn)品，由于有較高的性能要求而需采用外延片。單片外延片生產(chǎn)比較復(fù)雜，因?yàn)橄冗M(jìn)的分立器件（150 mm）和150 mm/200 mm前沿產(chǎn)品受到（晶片）生產(chǎn)能力的限制。如果能證明外延片相對(duì)于先進(jìn)的PW（如氫或氬氣退火片）具有產(chǎn)權(quán)成本方面的優(yōu)勢(shì)，那么作為下一代200 mm、300 mm產(chǎn)品的材料，其地位是穩(wěn)固的�？梢哉f(shuō)，將來(lái)外延片需求量會(huì)有強(qiáng)勁增長(zhǎng)，唯一的問(wèn)題是供應(yīng)不足。

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