一文帶你了解半導(dǎo)體硅晶片

硅片是生產(chǎn)集成電路的主要原材料。硅片尺寸越大則每片硅片上可以制造的芯片數(shù)量就越多，從而制造成本就越低。硅片尺寸的擴(kuò)大和芯片線寬的減小是集成電路行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的兩條主線。目前12寸硅片的出貨量占比超過(guò)60%，是目前主流的硅片尺寸。

半導(dǎo)體硅片通常由高純度的多晶硅錠用查克洛斯法(CZ Method)為主拉成不同電阻率的硅單晶錠，然而經(jīng)過(guò)晶體定向→外圓滾磨→加工主、副參考面→切片→倒角→熱處理→研磨→化學(xué)腐蝕→拋光→清洗→檢測(cè)→包裝等工序。

根據(jù)硅純度的不同要求，可分為太陽(yáng)能等級(jí)99，9999%，6個(gè)“9”純度，以及半導(dǎo)體等級(jí)11個(gè)“9”。本文只涉及半導(dǎo)體用的硅片。

● 硅晶圓

在半導(dǎo)體制造業(yè)中廣泛使用各種不同尺寸與規(guī)格的硅片，通常包括4英寸，5英寸，6英寸，8英寸及12英寸，它們的基本規(guī)格如下表所示。

按IC Insight資料，2015年底全球半導(dǎo)體安裝產(chǎn)能總計(jì)月產(chǎn)1635.3萬(wàn)片(8英寸計(jì))，按地區(qū)分布，臺(tái)灣地區(qū)依月產(chǎn)354.7萬(wàn)片，市占率達(dá)21.7%，居全球首位，韓國(guó)依月產(chǎn)335.7萬(wàn)片，市占率20.5%居第二，日本依月產(chǎn)282.4萬(wàn)片，市占率17.3%，居第三，北美依月產(chǎn)232萬(wàn)片，市占率14.2%居第四，中國(guó)依月產(chǎn)159.1萬(wàn)片，市占率9.7%居第五位，歐洲依月產(chǎn)104.6萬(wàn)片，市占率6.4%居第六位，其它地區(qū)市占率10.2%。

由于缺乏統(tǒng)一定義，硅片尺寸的過(guò)渡的時(shí)間無(wú)法達(dá)成共識(shí)，其中有一種觀點(diǎn)認(rèn)為累積硅片的出貨量超過(guò)100萬(wàn)片時(shí)，表示該硅片尺寸進(jìn)入。實(shí)際上如英特爾等總是領(lǐng)先其它業(yè)者，首先進(jìn)入更大尺寸的硅片。

現(xiàn)將SEMI于2006年的說(shuō)法，全球硅片尺寸的過(guò)渡時(shí)間表列于如下;4英寸硅片于1986年;6英寸于1992年;8英寸于1997年及12英寸于2005年。而如果依英特爾的芯片生產(chǎn)線建設(shè)(見intel’s all fab list)，它的3英寸生產(chǎn)線于1972年 FAB2 ;4英寸生產(chǎn)線于1973年FAB4;6英寸生產(chǎn)線于1978年 FAB5;8英寸生產(chǎn)線于1992年 FAB15;以及它的第一條12英寸生產(chǎn)線于2002年FAB12 in Hillsboro，與IBM同步。

業(yè)界較為公認(rèn)的說(shuō)法，1980年代是4英寸硅片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2002年時(shí)英特爾與IBM首先建12英寸生產(chǎn)線，到2005年己占20%，及2008年占30%，而那時(shí)8英寸己下降至54%及6英寸下降主11%。

多晶硅的原材料，高純度的石英，目前已知的全世界的儲(chǔ)量，中國(guó)最多，品質(zhì)最好，但是我國(guó)之前卻是將石英礦沙在高溫下還原成金屬硅后低價(jià)外銷，再高價(jià)進(jìn)口多晶硅，并且石英還原成金屬硅的階段是高度污染的。好在近些年光伏產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前太陽(yáng)能等級(jí)的多晶硅，我國(guó)的產(chǎn)量已經(jīng)是全球第一。

截止2014年，全球300mm硅片實(shí)際出片量已占各種硅片出片量的65%左右，平均約450萬(wàn)片/月。2015年第1～第2季度每月平均需求量約500萬(wàn)片。

現(xiàn)在300mm半導(dǎo)體級(jí)的硅片，國(guó)內(nèi)一個(gè)月需求量約45-50萬(wàn)片，而目前國(guó)內(nèi)的產(chǎn)量幾乎為零，這是產(chǎn)業(yè)鏈上最為緊缺的一環(huán)，預(yù)計(jì)未來(lái)的5年內(nèi)僅300mm硅片中國(guó)的需求量要超過(guò)月產(chǎn)100萬(wàn)片以上。而從硅片的市場(chǎng)供應(yīng)，全球日本生產(chǎn)的最多，日本信越和SUMCO，這兩家的產(chǎn)能和實(shí)際供應(yīng)量總和占全球2/3以上。300mm半導(dǎo)體級(jí)的大硅片，不僅是產(chǎn)業(yè)鏈缺失的重要一環(huán)，也是國(guó)家安全戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

國(guó)家在2012--2013年時(shí)科技部的02專項(xiàng)中，已有大硅片方面項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)準(zhǔn)備，但遲遲不能立項(xiàng)，原因就是雖然有國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)曾經(jīng)做過(guò)12寸大硅片，研發(fā)成功，但由于良率不高還不能量產(chǎn)。2014年，科技部02專項(xiàng)的領(lǐng)導(dǎo)下定決心要攻克12英寸硅片難關(guān)。要求是不僅研發(fā)成功，更要量產(chǎn)成功。量產(chǎn)的概念不是幾千片，是每個(gè)月10萬(wàn)片以上交付客戶，連續(xù)6個(gè)月交付客戶10萬(wàn)片以上，才算完成項(xiàng)目。

全球硅晶圓片于2015年的供應(yīng)商排名，日本信越半導(dǎo)體第一位，占比27%，日本勝高科技(SUMCO)占比26%居第二，環(huán)球晶圓占比7%，Siltronic占比13%，LG占比9%，SunEdison占比10%，及其它8%。

由國(guó)家立項(xiàng)的12英寸硅片項(xiàng)目己經(jīng)啟動(dòng)，叫上海新N半導(dǎo)體科技有限公司，成立于2014年6月，坐落于臨港重裝備區(qū)內(nèi)，占地150畝，總投資68億元，一期總投資23億元。新N半導(dǎo)體第一期目標(biāo)致力于在我國(guó)研究、開發(fā)適用于40-28nm節(jié)點(diǎn)的300mm硅單晶生長(zhǎng)、硅片加工、外延片制備、硅片分析檢測(cè)等硅片產(chǎn)業(yè)化成套量產(chǎn)工藝;建設(shè)300毫米半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)300毫米半導(dǎo)體硅片的國(guó)產(chǎn)化，充分滿足我國(guó)極大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)硅襯底基礎(chǔ)材料的迫切要求。新N半導(dǎo)體一期投入后，預(yù)計(jì)月產(chǎn)能為15萬(wàn)片12英寸和5萬(wàn)片8英寸硅片，最終將形成300mm硅片60萬(wàn)片/月的產(chǎn)能，年產(chǎn)值達(dá)到60億元。新N將與世界一流技術(shù)接軌，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

全球硅片出貨量與銷售額;2007時(shí)為8，661MSI，銷售額達(dá)121億美元，到2010年時(shí)為9，04MSI，銷售額為97億美元，以及2015年的10，43MSI，銷售額為72億美元，反映全球的硅片出貨量增長(zhǎng)緩慢，而它的銷售額逐年在下降。

● 450毫米硅片

為了加速發(fā)展450mm(18英寸)晶圓，全球五大半導(dǎo)體業(yè)者IBM、英特爾、三星電子、臺(tái)積電和GlobalFoundries在2011年共同成立全球450mm聯(lián)盟，簡(jiǎn)稱G450，并于美國(guó)紐約州Albany設(shè)立450mm晶圓技術(shù)研發(fā)中心。

450mm聯(lián)盟成立后，18寸晶圓世代的技術(shù)和機(jī)臺(tái)設(shè)備有不少方針已開始確立，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁入18寸晶圓世代的重要里程碑，目的是推動(dòng) 450 mm 硅片技術(shù)的發(fā)展。

實(shí)際上在2012年期間，除了G450C 聯(lián)盟之外、全球尚有EEMI450 聯(lián)盟 ( 歐洲 ) 和 Metro450 聯(lián)盟( 以色列) ，共計(jì)三個(gè)聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)450毫米硅片的進(jìn)展，目標(biāo)是可互用研究結(jié)果，減少重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。

除此之外，半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟 (SEMATECH) 和國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié) 會(huì) (SEMI) 等也在推動(dòng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的合作研發(fā)，因?yàn)楣杵睆降脑龃髮縿?dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈很大的改變。

然而，450毫米硅片的進(jìn)程自開始就有不同的看法，其中最為關(guān)鍵是半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，包括如應(yīng)用材料公司等缺乏積極性，理由是450毫米設(shè)備不是簡(jiǎn)單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對(duì)于設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因此面臨著經(jīng)費(fèi)與人力等問(wèn)題，更多的擔(dān)心是未來(lái)的市場(chǎng)，能否有足夠的投資回報(bào)率。所以關(guān)于450毫米硅片的聲浪是時(shí)起彼伏，盡管英特爾，三星及臺(tái)積電等大廠信心滿滿，實(shí)際上是雷聲大雨點(diǎn)小。

自2014 年開始G450C 聯(lián)盟出現(xiàn)暫緩研發(fā) 450 mm 硅片的跡象;。盡管如TSMC等曾 宣布 將于2018 -2019年期間會(huì)采用450毫米硅片。然而依目前半導(dǎo)體業(yè)的態(tài)勢(shì)觀察，現(xiàn)在還很難取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

采用450毫米硅片，如同前幾次硅片增大直徑一樣，關(guān)鍵在于從經(jīng)濟(jì)上要有它的利益點(diǎn)，包括芯片制造商及設(shè)備供應(yīng)商在內(nèi)，另一個(gè)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要擴(kuò)大產(chǎn)能的迫切性，所以等待未來(lái)市場(chǎng)的再次高潮到來(lái)。

不管如何，450毫米硅片對(duì)于全球半導(dǎo)體業(yè)仍是一個(gè)懸而未決的課題。

注：2014 年為10，09 MSI及銷售額76億美元，以及2015年為10，43MSI及銷售額為72億美元。