晶圓代工器件結(jié)構(gòu)形成與功能實現(xiàn)

特色工藝平臺晶圓代工技術與市場

晶圓代工行業(yè)源于半導體產(chǎn)業(yè)鏈的專業(yè)化分工，晶圓代工企業(yè)不涵蓋芯片設計環(huán)節(jié)，專門負責晶圓制造，為芯片產(chǎn)品公司提供晶圓代工服務。晶圓代工行業(yè)屬于技術、資本、人才密集型行業(yè)，需要大量的資本支出和人才投入，具有較高的進入壁壘。

在半導體晶圓代工行業(yè)內(nèi)，特色工藝是指以拓展摩爾定律為指導，不完全依賴縮小晶體管特征尺寸（以下簡稱“線寬”），通過聚焦新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件的研發(fā)創(chuàng)新與運用，并強調(diào)特色IP定制能力和技術品類多元性的半導體晶圓制造工藝，主要包括嵌入式/獨立式非易失性存儲器、功率器件、模擬與電源管理、傳感器等工藝平臺。

一般性工藝流程

1、前期處理

（1）硅片清洗

使用噴淋或沉浸的方式，先用多種化學品對半導體硅片進行清洗，再用超純水對半導體硅片進行二次清洗去除殘留的化學液。清洗工序的目的是去除半導體硅片表面的塵埃顆粒、殘留有機物、表面金屬離子等雜質(zhì)，提高后續(xù)生長熱氧化層的質(zhì)量，保證后續(xù)工藝的穩(wěn)定性（后續(xù)每步操作后亦有清洗工序）。

（2）熱氧化

在高溫氧氣和惰性氣體的環(huán)境下，在半導體硅片表面生成二氧化硅薄膜。

2、掩模版制作

3、圖形轉(zhuǎn)移

（1）光刻光刻主要由涂膠、曝光和顯影三個步驟組成：

1）涂膠：將光刻膠均勻地涂布在旋轉(zhuǎn)的半導體硅片上；

2）曝光：利用***，通過特定波長的光線的照射，改變光刻膠的性質(zhì)，將光掩模版上的電路圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；

3）顯影：利用顯影液，去除曝光后光刻膠中的可溶解部分，準確地使光刻膠上形成圖形。

（2）刻蝕

刻蝕是在光刻后，有選擇性地去除半導體硅片上未被光刻膠覆蓋區(qū)域的材料。常見的刻蝕方法包括濕法刻蝕和干法刻蝕，其中：濕法刻蝕使用液態(tài)化學品進行刻蝕，干法刻蝕利用等離子體進行刻蝕。

（3）去膠

刻蝕完成后，去除半導體硅片上未被溶解的光刻膠。

4、器件結(jié)構(gòu)形成與功能實現(xiàn)

（1）離子注入、退火在真空、低溫的環(huán)境下，將特定種類的雜質(zhì)離子以高能離子束的形式植入晶圓表面的特定區(qū)域，常見的離子元素種類包括硼、磷、砷等。離子注入后，在高溫環(huán)境下消除離子注入導致的晶格缺陷，改變晶圓表面及內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)特定性能。

（2）擴散在高溫環(huán)境下，使雜質(zhì)離子在不同離子濃度的區(qū)域間發(fā)生轉(zhuǎn)移，改變和控制晶圓內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度和分布，形成不同電特性的區(qū)域，改變晶圓的電特性。

（3）化學氣相沉積利用不同分壓的氣態(tài)化學原材料在晶圓表面發(fā)生化學反應，并在晶圓表面沉積一層固態(tài)薄膜。

（4）物理氣相沉積

利用濺射鍍膜、真空蒸發(fā)、離子體鍍膜、分子束外延等物理方法，轟擊靶材，在晶圓表面沉積一層固態(tài)薄膜。

（5）化學機械研磨利用機械摩擦和化學反應對晶圓進行拋光，使晶圓表面平坦化。

5、檢測入庫

（1）晶圓測試

晶圓加工完成后，使用探針等檢測設備對晶圓性能進行測試，驗證其功能是否符合工藝平臺的規(guī)格要求。

（2）包裝入庫

將檢測合格的晶圓真空包裝后入庫。

市場變化

半導體行業(yè)呈現(xiàn)垂直化分工格局，上游包括半導體材料、半導體制造設備等；中游為半導體生產(chǎn)，具體可劃分為芯片設計、晶圓制造、封裝測試；半導體產(chǎn)業(yè)下游為各類終端應用。

根據(jù)所包含的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同，半導體產(chǎn)業(yè)的企業(yè)經(jīng)營模式一般可分為垂直整合模式（IDM模式）、晶圓代工模式（Foundry模式）和無晶圓廠模式（Fabless模式）。

晶圓制造工藝的發(fā)展方向

隨著下游應用場景新需求的不斷涌現(xiàn)，半導體產(chǎn)品種類不斷增多。為滿足市場對于產(chǎn)品功能、性能等特性的差異化需求，IDM廠商與晶圓代工廠商等涉及晶圓制造環(huán)節(jié)的企業(yè)不斷研發(fā)創(chuàng)新晶圓制造工藝技術，并演進形成了差異化的制造工藝。晶圓制造工藝大致可分為先進邏輯工藝與特色工藝。

先進邏輯工藝沿著摩爾定律發(fā)展，側(cè)重于不斷縮小晶體管線寬，主要追求產(chǎn)品的高運算速度，主要應用于高性能計算、中央處理器（CPU）等領域芯片產(chǎn)品的制造。先進邏輯工藝的行業(yè)代表企業(yè)為臺積電。

與沿著摩爾定律不斷追求晶體管縮小的先進邏輯工藝不同，特色工藝不完全追求器件的縮小，而是通過持續(xù)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與制造工藝最大化發(fā)揮不同器件的物理特性以提升產(chǎn)品性能及可靠性。特色工藝主要用于制造功率器件MCU、智能卡芯片、電源管理芯片、射頻芯片、傳感器等，上述產(chǎn)品被廣泛應用于新能源汽車、工業(yè)智造、新一代移動通訊、物聯(lián)網(wǎng)、新能源、消費電子等眾多應用領域。

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特色工藝晶圓代工領域下游行業(yè)發(fā)展概況

（1）功率器件行業(yè)概況

功率器件由最早的功率二極管、三極管、晶閘管，發(fā)展至后來的MOSFET、IGBT，體現(xiàn)出大功率化、高頻化、集成化、低能耗與高可靠性等發(fā)展趨勢。近年來，隨著新能源汽車滲透率不斷提升，光伏、風電、儲能等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)建設，功率器件也面臨著更廣闊的市場空間。根據(jù)Yole的統(tǒng)計，2020年全球功率器件市場規(guī)模約為175億美元，預計2026年將增長至262億美元，年平均復合增長率為6.96%。

（2）嵌入式非易失性存儲器行業(yè)概況

非易失性存儲器是指當芯片斷電后所存儲的數(shù)據(jù)不會消失的存儲器，而嵌入式非易失性存儲器是指用于滿足各種功能的嵌入系統(tǒng)應用程序的芯片。嵌入式非易失性存儲器主要芯片產(chǎn)品包括微控制器（MCU）和智能卡芯片。

①MCU行業(yè)概況

MCU全稱是MicroControlUnit，也稱為單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。根據(jù)ICInsights的統(tǒng)計，2015年至2020年，全球MCU市場規(guī)模從159.5億美元增長至206.9億美元，年平均復合增長率為5.34%。預計MCU市場規(guī)模將維持增長，2021年和2022年分別達到220.8億美元和238.8億美元，同比增長6.72%和8.15%。

中國智能物聯(lián)產(chǎn)品、工業(yè)控制和新能源汽車等市場需求的快速增長，帶動了對MCU芯片的旺盛需求。根據(jù)IHSMarkit的統(tǒng)計，2015年至2020年，中國MCU市場規(guī)模從180億元增長至268億元，年平均復合增長率為8.29%，高于全球市場規(guī)模增速。

由于MCU的細分市場較多，隨著本土企業(yè)供應鏈不斷積累產(chǎn)品與市場經(jīng)驗，以及品牌知名度和市場認知度不斷提高，疊加海外芯片公司缺貨的現(xiàn)狀，國內(nèi)MCU廠商有望迎來較為快速的增長周期。

②智能卡芯片行業(yè)概況

智能卡是指內(nèi)嵌有微芯片的塑料卡片，將一個專用的集成電路芯片鑲嵌于符合ISO7816標準的PVC（或ABS等）塑料基片中，封裝成外形與磁卡類似的卡片形式。智能卡的主要下游應用為移動通訊SIM卡、社?？ā⒕用裆矸葑C、金融IC卡等。根據(jù)ICInsights的統(tǒng)計，2018年至2021年，全球智能卡芯片市場規(guī)模由24億美元增長至28億美元，年均復合增長率5.27%。預計2026年全球智能卡芯片市場規(guī)模將增至30億美元。

近年來，國內(nèi)智能卡市場應用多元化以及產(chǎn)業(yè)政策支持力度不斷加強，智能卡芯片需求逐步增加。根據(jù)Frost&Sullivan的統(tǒng)計，2014年至2018年，中國智能卡芯片市場規(guī)模由76.9億元增長至95.9億元，年均復合增長率5.68%。預計到2023年，中國智能卡芯片市場規(guī)模將達到129.8億元，全球市場規(guī)模占比超過60%。

（3）模擬芯片行業(yè)概況

模擬芯片包括電源管理類芯片、信號鏈類芯片兩大類。根據(jù)WSTS的統(tǒng)計，2012年至2020年，全球模擬芯片市場規(guī)模由393億美元增長至557億美元，年均復合增長率為4.46%。未來，在電子化產(chǎn)品更加復雜以及節(jié)能減排發(fā)展趨勢的影響下，模擬芯片將會憑借其品類多、應用廣的特點得到更大的發(fā)展空間。

半導體晶圓代工行業(yè)在新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況

隨著新能源汽車、工業(yè)智造、新一代移動通訊、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，芯片作為智能硬件的核心部件，其應用幾乎無處不在，在新產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展過程中扮演了重要角色。與此同時，新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會對芯片的性能、功耗、尺寸等不斷提出新的需求，促進晶圓制造技術的突破和工藝平臺的豐富，為半導體晶圓代工行業(yè)帶來新的機遇。

①新能源汽車

在政策和市場驅(qū)動下，我國新能源汽車未來擁有廣闊的增長空間。2020年11月，國務院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，該規(guī)劃提出，2021年到2035年我國新能源汽車行業(yè)進入加速發(fā)展階段，2025年新能源汽車新車銷售量將占汽車新車銷售總量的20%左右，2035年純電動汽車將成為新銷售車輛的主流，實現(xiàn)公共領域用車全面電動化。

根據(jù)中國信息通信研究院的統(tǒng)計，2021年新能源汽車產(chǎn)銷數(shù)量分別達到354.5萬輛和352.1萬輛，全年產(chǎn)銷數(shù)量創(chuàng)造新高，市場滲透率亦不斷攀升，2021年全年累計市場滲透率升至13.4%。

隨著新能源汽車的推廣普及和自動駕駛技術的不斷升級，車載電子系統(tǒng)的復雜程度越來越高，對功率器件、MCU、模擬芯片、傳感器等產(chǎn)品的需求也不斷增加。

根據(jù)德勤芯片行業(yè)系列白皮書，新能源汽車車均芯片搭載量約1,459個，遠超過傳統(tǒng)燃油汽車。因此，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將在未來若干年內(nèi)對車規(guī)級芯片的需求帶來飛躍。

②工業(yè)智造

工業(yè)自動化和智能化的程度直接影響一個國家生產(chǎn)力的水平，在我國人口紅利逐步消失、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、國家政策大力扶持三大因素影響下，我國工業(yè)自動化將持續(xù)提升，智能裝備制造業(yè)未來發(fā)展前景廣闊。根據(jù)中國工控網(wǎng)《2021年中國自動化市場白皮書》數(shù)據(jù)顯示，2020年中國自動化市場規(guī)模達2,063億元，預計至2022年，全球自動化設備市場規(guī)模將達到2,360億美元。工業(yè)智造的大力發(fā)展為半導體產(chǎn)品創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間，勢必加大如MCU、物聯(lián)網(wǎng)芯片、中高端模擬芯片與功率器件等工業(yè)領域必需品的市場需求。

③新一代移動通訊

在信息通訊領域，我國高度重視新一代移動通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在許多關鍵政策的推動下，我國已在2020年啟動5G商用，并進入了5G建設高峰時期。2021年全年我國新增5G基站數(shù)達65.4萬個，累計建成并開通5G基站數(shù)達142.5萬個。根據(jù)工信部《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，“十四五”期間我國基站擁有數(shù)將達到26站/萬人，預計5G基站總數(shù)將在360萬站以上，基站數(shù)量在2021年-2025年期間將保持較高增長速度。5G基站的快速建設將極大地拉動對MCU、電源控制芯片、功率器件等眾多芯片的需求，此外，5G產(chǎn)業(yè)鏈條環(huán)節(jié)眾多，5G手機等終端設備的更新迭代、智慧城市等5G物聯(lián)網(wǎng)的逐漸部署也推動著芯片需求量的快速增長，整體帶動晶圓代工行業(yè)的市場規(guī)模不斷增長。

④物聯(lián)網(wǎng)

隨著5G通訊在國內(nèi)部署及智能時代萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，物聯(lián)網(wǎng)有望實現(xiàn)快速發(fā)展，而萬物互聯(lián)能夠滲透到國民經(jīng)濟的各個領域，包括智能家居、智能手機、工業(yè)智能化、新能源汽車等不同下游應用場景。根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會發(fā)布《中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告（2021）》，2020年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到1.7萬億元。2021年9月，工信部、科技部等八部門發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎設施建設三年行動計劃（2021-2023年）》，明確到2023年底，在國內(nèi)主要城市初步建成物聯(lián)網(wǎng)新型基礎設施，社會現(xiàn)代化治理、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和民生消費升級的基礎更加穩(wěn)固。根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）發(fā)布的《2020年移動經(jīng)濟》報告顯示，2019年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接個數(shù)達到120億，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設備連接數(shù)預計將達到251億個，我國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達到80.1億。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展將催生數(shù)以百億計的新設備，每臺設備都需要集成諸多芯片，從而持續(xù)提高半導體產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

編輯：黃飛

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