得益于近年來(lái)國(guó)家對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重視和大力扶持,國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,在不少領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了突破,但是在芯片上游的半導(dǎo)體材端,特別是在大尺寸硅片(晶圓)方面,由于需要的投入大,投入周期較長(zhǎng),見(jiàn)效慢,目前國(guó)內(nèi)仍是非常薄弱。
在12月13日召開(kāi)的2019中國(guó)(珠海)集成電路產(chǎn)業(yè)高峰論壇上,作為目前唯一一家國(guó)產(chǎn)300mm(12英寸)大硅片量產(chǎn)企業(yè),前中芯國(guó)際CEO、上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司CEO邱慈云透露,上海新昇的28nm邏輯、3D-NAND存儲(chǔ)正片通過(guò)了長(zhǎng)江存儲(chǔ)的認(rèn)證。
▲上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司CEO邱慈云
大硅片仍嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口
硅片是生產(chǎn)半導(dǎo)體所用的載體,是半導(dǎo)體最重要的原材料。目前硅基半導(dǎo)體材料也是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料。
根據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),從半導(dǎo)體器件產(chǎn)值來(lái)看,2017年全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用單晶硅作為襯底材料,而化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)占比仍在5%以內(nèi)。
如果僅從全球半導(dǎo)體材料銷(xiāo)售占比來(lái)看,SEMI預(yù)測(cè),2019年硅片的銷(xiāo)售額在全球半導(dǎo)體制造材料行業(yè)當(dāng)中的占比也是最高的,達(dá)到了37.29%。
硅片按照尺寸(以直徑計(jì)算)分類(lèi),主要有50mm(2英寸)、75mm(3英寸)、100mm(4英寸)、150mm(6英寸)、200mm(8英寸)、300mm(12英寸)等規(guī)格,現(xiàn)已發(fā)展到18英寸(450mm)。目前,全球市場(chǎng)主流的產(chǎn)品是8英寸和12英寸的半導(dǎo)體硅片。
根據(jù)電子行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2016年中國(guó)大陸企業(yè)在4-6英寸硅片(含拋光片、外延片等)的產(chǎn)量約為5200萬(wàn)片,基本可以滿足國(guó)內(nèi)4-6英寸的晶圓需求,但是8英寸-12英寸的大硅片,國(guó)內(nèi)自供率仍然比較低。
國(guó)內(nèi)具有8英寸硅片和外延片生產(chǎn)能力的有浙江金瑞泓、昆山中辰、北京有研新材、南京國(guó)盛、CECT46所以及上海新傲,合計(jì)月產(chǎn)能約為23.3萬(wàn)片/月,而在12英寸半導(dǎo)體硅片方面,目前主要依靠進(jìn)口,市場(chǎng)主要被國(guó)外廠商所占據(jù)。
數(shù)據(jù)也顯示,2018年12英寸硅片市場(chǎng)份額已達(dá)63.31%,成為硅片市場(chǎng)最主流的產(chǎn)品。
全球前五大硅片供應(yīng)商為日本信越化學(xué)株式會(huì)社、日本株式會(huì)社SUMCO(勝高)、***環(huán)球晶圓股份有限公司、德國(guó)SiltronicAG(世創(chuàng))和韓國(guó)SKSiltronInc.,分別占據(jù)全球市場(chǎng)份額的29.8%、26.3%、17.1%、11.3%和10.6%,產(chǎn)值合計(jì)占據(jù)超過(guò)95.1%的市場(chǎng)份額。
由此可見(jiàn),12英寸大硅片市場(chǎng)被國(guó)外廠商長(zhǎng)期壟斷,國(guó)內(nèi)嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)象,急需破局!
市場(chǎng)需求大,國(guó)產(chǎn)大硅片迎來(lái)新機(jī)遇
近年來(lái),受益于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、固態(tài)硬盤(pán)、工業(yè)電子市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng),以及人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子等新興應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展,推動(dòng)了對(duì)于半導(dǎo)體芯片需求的持續(xù)增長(zhǎng)。
根據(jù)WSTS的數(shù)據(jù)顯示,2018年全球半導(dǎo)體集成電路銷(xiāo)售額已高達(dá)4703億美元,而在1976年這個(gè)數(shù)字僅僅是29億美元。42年的時(shí)間,翻了168倍,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)13%。雖然2019年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模出現(xiàn)了下滑,但是預(yù)計(jì)2020年將重回升勢(shì)。巨大的半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)需求,也直接推動(dòng)了對(duì)于硅片需求的增長(zhǎng)。
根據(jù)SUMCO和SEMI的統(tǒng)計(jì),2017年全球8英寸和12英寸硅片的需求分別為558萬(wàn)片/月和557萬(wàn)片/月,8英寸和12英寸硅片的出貨量分別為530萬(wàn)片/月和550萬(wàn)片/月,硅片廠商在滿產(chǎn)的狀態(tài)下仍不能滿足需求。保守預(yù)計(jì)到2020年8英寸和12英寸的終端市場(chǎng)需求量將分別超過(guò)630萬(wàn)片/月和620萬(wàn)片/月。
需要指出的是,由于硅片生產(chǎn)線的建設(shè)周期較長(zhǎng),一般為2-3年,這也意味著在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)大硅片產(chǎn)能不具備快速提升的基礎(chǔ),在需求快速增長(zhǎng)的同時(shí),大尺寸硅片市場(chǎng)將出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。
SUMCO預(yù)測(cè),未來(lái)3-5年內(nèi)全球12英寸硅片的供給和需求依舊存在缺口,并且缺口會(huì)隨著半導(dǎo)體周期的景氣程度回暖而越來(lái)越大,到2022年將會(huì)有100萬(wàn)片/月的缺口。
另外,根據(jù)中科院數(shù)據(jù)顯示,目前中國(guó)大陸已投產(chǎn)的12英寸晶圓產(chǎn)線已超20條,宣布在建的有8條,建成后產(chǎn)能將超234萬(wàn)片/月。數(shù)據(jù)顯示,目前中國(guó)大陸12英寸晶圓產(chǎn)線總投資額已超過(guò)15000億元,而在建和規(guī)劃中的12英寸晶圓廠投資也接近了7500億元。
而對(duì)于國(guó)內(nèi)如此之多的已建成、在建及規(guī)劃中12英寸晶圓產(chǎn)線,必然會(huì)直接推動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于12英寸硅片需求的快速增長(zhǎng)。
雖然,目前12英寸硅片主要被國(guó)外廠商所壟斷,但在國(guó)產(chǎn)替代的大趨勢(shì)之下,這對(duì)于國(guó)產(chǎn)12英寸硅片來(lái)說(shuō)將是一個(gè)巨大的機(jī)遇。
大硅片到底難在哪?
硅片的生產(chǎn)工藝主要包括拉晶、切片、研磨、蝕刻、拋光、外延、鍵合、清洗等工藝步驟,才能制造成為半導(dǎo)體硅片。其中,每一個(gè)步驟都有非常高的要求。
比如在拉晶這一步之前,首先需要對(duì)硅進(jìn)行提純,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純變?yōu)榧兌冗_(dá)99.9999999%至99.999999999%(9-11個(gè)9)的超純多晶硅。
然后,在拉晶階段,要將超純多晶硅在石英坩堝中熔化,并摻入硼(P)、磷(B)等元素改變其導(dǎo)電能力,放入籽晶確定晶向,經(jīng)過(guò)單晶生長(zhǎng),制成具有特定電性功能的單晶硅錠。
在這過(guò)程中,需要解決氧含量及徑向均勻性、雜質(zhì)的控制、OISF控制、去COP、定晶向、A-缺陷控制、氧沉淀控制、電阻值定量、摻雜及徑向均勻性等眾多問(wèn)題。
同樣,在之后的切片、研磨、蝕刻、拋光、外延、鍵合、清洗等過(guò)程中,也有非常多的需要解決的問(wèn)題。
邱慈云表示,硅片核心技術(shù)史是一個(gè)挑戰(zhàn)極限的過(guò)程!比如在晶體需要完美的生長(zhǎng),無(wú)原生缺陷,這相當(dāng)于要求420公斤的硅單晶棒都要保持鉆石一般的完美結(jié)構(gòu),而在自然界當(dāng)中,一克拉(200毫克)的鉆石都并不多見(jiàn);
在表面潔凈度方面,顆粒尺寸的要求要小于19nm,這只有PM2.5尺寸的1%大??;
在平整度方面,要求在幾厘米的尺度上小于10nm的起伏,這相當(dāng)于要求上海到北京的1000公里的距離上,地面起伏小于30cm;
在金屬雜質(zhì)方面,要求表面金屬含量低于1x10的七次方個(gè)原子/平方厘米,相當(dāng)于每1千萬(wàn)個(gè)硅原子中,不能出現(xiàn)1個(gè)金屬原子。
如果說(shuō),上面的對(duì)于硅片的制作要求已經(jīng)是在挑戰(zhàn)機(jī)極限,那么大硅片的核心技術(shù)則是要全方位的追求卓越,在拉晶技術(shù)、表明邊緣缺陷、平整度、金屬雜質(zhì)、檢測(cè)表征技術(shù)保障等方面都提出了更高的要求。
正是因?yàn)榇蠊杵y度非常的高,這也給國(guó)產(chǎn)大硅片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。所幸的是,目前上海新昇的12英寸大硅片項(xiàng)目在2017年四季度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),目前硅晶圓出貨已經(jīng)累計(jì)超過(guò)100萬(wàn)片。
上海新昇12英寸大硅片的突破
上海新昇成立于2014年6月,是國(guó)內(nèi)首個(gè)12英寸大硅片項(xiàng)目的承擔(dān)主體,也是目前唯一獲得國(guó)家重大項(xiàng)目支持的硅片公司,承擔(dān)了國(guó)家02專(zhuān)項(xiàng)核心工程之一的“40-28納米集成電路制造用300毫米硅片”項(xiàng)目。
▲大基金總裁丁文武參觀上海新昇12英寸硅片(圖片來(lái)源:上海新昇)
2015年,上海新昇一期廠房開(kāi)工建設(shè);2016年第一根晶棒下線;2017年第一片產(chǎn)品銷(xiāo)售、第一片正片送樣;2018年正片通過(guò)認(rèn)證,達(dá)產(chǎn)10萬(wàn)片/月,同時(shí)無(wú)缺陷晶體研制成功;2019年,上海新昇28nm邏輯、3D-NAND存儲(chǔ)正片通過(guò)長(zhǎng)江存儲(chǔ)認(rèn)證,第100萬(wàn)片產(chǎn)品下線。
可以說(shuō),上海新昇的12英寸大硅片項(xiàng)目進(jìn)展非常的迅速。
在現(xiàn)有產(chǎn)能和未來(lái)產(chǎn)能規(guī)劃方面,據(jù)邱慈云介紹,目前上海新昇產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了15萬(wàn)片/月(40nm及以上工藝節(jié)點(diǎn)10萬(wàn)片/月,28nm及以上工藝節(jié)點(diǎn)5萬(wàn)片/月)。
現(xiàn)在,二期項(xiàng)目設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始搬入,二期規(guī)劃的產(chǎn)能為30萬(wàn)片/月(主要覆蓋14nm及以上工藝節(jié)點(diǎn))?,F(xiàn)有的廠區(qū)可容納60萬(wàn)片/月的產(chǎn)能。
此外,上海新昇還擁有可容納100萬(wàn)片/月產(chǎn)能的擴(kuò)建用地。因此,基本不用擔(dān)心后續(xù)對(duì)于市場(chǎng)需求的承接能力。
在實(shí)際出貨方面,目前上海新昇的硅晶圓出貨已經(jīng)累計(jì)超過(guò)100萬(wàn)片,當(dāng)然其中有不少是測(cè)試樣片。
據(jù)邱慈云介紹,近兩年器件用正片累計(jì)出貨量也已超過(guò)了75000件,國(guó)內(nèi)外累計(jì)客戶已達(dá)30多家。
邱慈云強(qiáng)調(diào),大硅片產(chǎn)業(yè)是全方位的系統(tǒng)工程,不僅需要大量的資金保障,強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),還需要豐富的下游客戶服務(wù)經(jīng)驗(yàn)。而這些方面,也正是新昇科技的優(yōu)勢(shì)所在。
“作為國(guó)內(nèi)唯一12英寸硅片正片量產(chǎn)的供應(yīng)商,新昇科技已經(jīng)在中國(guó)實(shí)現(xiàn)了從‘0’到‘1’的關(guān)鍵突破?!鼻翊仍品浅W院赖恼f(shuō)到。
背靠上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)
需要指出的是,上海新昇隸屬于中國(guó)大陸規(guī)模最大的半導(dǎo)體硅片企業(yè)——上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán),而上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的大股東則是國(guó)家大基金,因此背靠上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的新昇科技自然也成為了國(guó)產(chǎn)大硅片“國(guó)家隊(duì)”的一員。
此外,上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司旗下還擁有新傲科技、Okmetic這兩家控股子公司,同時(shí)也是法國(guó)半導(dǎo)體材料公司Soitec的大股東之一。
其中,Okmetic成立于1985年,位于芬蘭,是一家老牌的硅片生產(chǎn)商,Okmetic主要產(chǎn)品為拋光片和SOI硅片,用于MEMS、傳感器、模擬電路及分離式半導(dǎo)體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)。
新傲科技則成立于2001年,建成了我國(guó)第一條SOI生產(chǎn)線,目前是中國(guó)領(lǐng)先的SOI材料生產(chǎn)基地,也是世界上少數(shù)的SOI材料規(guī)?;?yīng)商之一。目前,新傲公司的產(chǎn)品90%以上銷(xiāo)售到美、日、歐、俄、韓、***和新加坡等地。
法國(guó)的Soitec公司是全球SOI硅片和其他工程基片的領(lǐng)先供應(yīng)商,目前Soitec生產(chǎn)的SOI硅片占全球的80%以上的市場(chǎng),而采用Soitec公司的SmartCut技術(shù)生產(chǎn)的SOI硅片則超過(guò)了全球SOI硅片生產(chǎn)總量的95%。此前,Soitec也與新敖科技達(dá)成了SmartCut技術(shù)上的合作。值得一提的是,Soitec公司在GaN和SiC技術(shù)上也有著深厚的布局。
不難想象的是,未來(lái)上海新昇或?qū)⑴c上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司旗下的新傲科技、Okmetic、Soitec等在技術(shù)和商業(yè)上有更多的合作,同時(shí)也將帶來(lái)更強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。
責(zé)任編輯:wv
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