干貨：一文讓你理解晶圓與硅

來(lái)源：上海有色網(wǎng)

前段時(shí)間荷蘭ASML***進(jìn)口成為大眾焦點(diǎn)，但是芯片是人類智慧的高度結(jié)晶，其制作過(guò)程中除了光刻還有許多其它復(fù)雜步驟。晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料，半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅，因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓。金屬硅便屬于晶圓的上游產(chǎn)品。

高純度的多晶硅經(jīng)過(guò)單晶硅再研磨、拋光、切片后，形成硅晶圓片。目前國(guó)內(nèi)晶圓生產(chǎn)線以8英寸和12英寸為主。在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能之IC產(chǎn)品。目前對(duì)12寸晶圓需求最強(qiáng)的是存儲(chǔ)芯片（NAND和DRAM），8寸晶圓更多的是用于汽車電子等領(lǐng)域。

晶圓產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈上游——金屬硅

金屬硅（Silicon）又稱結(jié)晶硅或工業(yè)硅，是由石英和焦炭在電熱爐內(nèi)冶煉成的產(chǎn)品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年來(lái)，含Si量99.99%的也包含在金屬硅內(nèi)），另含有少量鐵、鋁、鈣等。

其主要用途是作為晶圓原材料，半導(dǎo)體硅用于制作半導(dǎo)體器件的高純度金屬硅。是以多晶、單晶形態(tài)應(yīng)用。此前蘋果公司宣布自主研發(fā)ARM電腦處理器的計(jì)劃，并將其直接命名為AppleSilicon。金屬硅還有非鐵基合金的添加劑的作用，是鋁合金中的良好組元，絕大多數(shù)鑄造鋁合金都含有硅。

晶圓制造過(guò)程

晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸 氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999999999%。晶圓的主要加工方式為片加工和批加工，即同時(shí)加工1片或多片晶圓。隨著半導(dǎo)體特征尺寸越來(lái)越小，加工及測(cè)量設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，使得晶圓加工出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。同時(shí)，特征尺寸的減小，使得晶圓加工時(shí)，空氣中的顆粒數(shù)對(duì)晶圓加工后質(zhì)量及可靠性的影響增大，而隨著潔凈的提高，顆粒數(shù)也出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

脫氧提純沙子、石英經(jīng)過(guò)脫氧提純以后的得到含硅量25％的Si02二氧化硅。氧化硅經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸 氯化，并蒸餾后，得到純度高達(dá)99%以上的晶體硅。

制造晶棒晶體硅經(jīng)過(guò)高溫成型，采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方法做成圓形的晶棒。

晶片分片將晶棒橫向切成厚度基本一致的晶圓片，Wafer。

Wafer拋光，進(jìn)行晶圓外觀的打磨拋光。

Wafer鍍膜 通過(guò)高溫，或者其他方式，使晶圓上產(chǎn)生一層Si02二氧化硅。Si02二氧化硅為絕緣材料，但有雜質(zhì)和特殊處理的Si02二氧化硅有一定的導(dǎo)電性。這里Si02二氧化硅的作用是為了光的傳導(dǎo)，這是為了后面光刻。上光刻膠 光刻膠和以前照相的膠片一個(gè)道理。

Wafer上光刻膠，要求薄而平整。

光刻（極紫光刻EVO）將設(shè)計(jì)好的晶圓電路掩模，放置于光刻的紫外線下，下面再放置Wafer。在光刻的瞬間，在Wafer被光刻的部分的光刻膠融化，被刻上了電路圖。去除光刻膠，光刻膠上的圖案要與掩模上的圖案一致。再次光刻。一個(gè)晶圓的電路要經(jīng)過(guò)多次光刻。隨著極紫光刻新技術(shù)出現(xiàn)，晶圓的光刻變得更精確，也更有效率了，甚至可以一次完成全部光刻了。

離子注射 在真空的環(huán)境下經(jīng)過(guò)離子注射，將光刻的晶圓電路里注入導(dǎo)電材料。一般在一次光刻后就離子注射。

電鍍 在晶圓上電鍍一層硫酸銅。銅離子會(huì)從正極走向負(fù)極。

拋光 打磨拋光Wafer表面，整個(gè)Wafer就已經(jīng)制造成功了。

晶圓切片 將Wafer切成，單個(gè)晶圓Die。

測(cè)試 主要分三類：功能測(cè)試、性能測(cè)試、抗老化測(cè)試。具體有如：接觸測(cè)試、功耗測(cè)試、輸入漏電測(cè)試、輸出電平測(cè)試、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試、模擬信號(hào)參數(shù)測(cè)試等等。有壞的晶圓就報(bào)廢，此為黑片；有一些測(cè)試沒過(guò)，但不影響使用的分為白片，可以流出；而全部通過(guò)測(cè)試的為正片。測(cè)算完畢下一步包裝入盒發(fā)往封測(cè)，Die（裸片）經(jīng)過(guò)封測(cè)，就成了我們電子數(shù)碼產(chǎn)品上的芯片。

常見的200mmCMOS芯片的晶圓制造過(guò)程

晶圓規(guī)格

目前全球芯片市場(chǎng)上，使用最主流的晶圓有三種規(guī)格：6寸、8寸、12寸?，F(xiàn)在市場(chǎng)上12寸的晶圓是主流，將近7成的產(chǎn)能都是12寸晶圓。晶圓的尺寸越大，制造的難度也就越高，當(dāng)然這些大晶圓切割出來(lái)的芯片也就越多。現(xiàn)在市場(chǎng)上12寸的晶圓是主流，將近7成的產(chǎn)能都是12寸晶圓。不同種類的芯片一般來(lái)說(shuō)使用的晶圓規(guī)格是不一樣的，晶圓的規(guī)格趨勢(shì)總體上是往越來(lái)越大的方向發(fā)展的。功率半導(dǎo)體——6寸和8寸晶圓 MCU等處理器——8寸晶圓 邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片——12寸晶圓 從使用領(lǐng)域的角度來(lái)看，目前對(duì)12寸晶圓需求最強(qiáng)的是存儲(chǔ)芯片（NAND和DRAM），8寸晶圓更多的是用于汽車電子等領(lǐng)域。另外，不同規(guī)格的晶圓的工藝往往也是有差別的。在工藝的類型劃分，可以將wafer劃分為3種：拋光片、外延片和以SOI硅片。一般而言，8寸以下的集成電路產(chǎn)線用拋光片，45nm及以下線寬的12寸晶圓用外延片，SOI是一種新型工藝。拋光片是應(yīng)用最為廣泛的工藝，因?yàn)槠渌墓に嚩际窃趻伖馄幕A(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的，拋光片可以用于制作存儲(chǔ)芯片、功率器件以及外延片的襯底材料。外延片是在拋光片的基礎(chǔ)上生長(zhǎng)了一層單晶硅，一般用于通用處理器芯片、二極管以及IGBT功率器件的制造。SOI主要用于射頻前端芯片、功率器件和汽車電子等領(lǐng)域。

晶圓產(chǎn)能

自2000年以來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)靠著增加晶圓投片量來(lái)提高芯片出貨量，利用制程微縮讓每片晶圓切割出更多芯片的貢獻(xiàn)并不多。從2000～2019年，每片晶圓切割出的良品芯片的年平均成長(zhǎng)率僅0.9％，但通過(guò)增加晶圓投片來(lái)增加的良品芯片的年平均成長(zhǎng)率達(dá)6.5％。

總體來(lái)看，2000～2019年全球每年新增加的芯片數(shù)量，有86％來(lái)自晶圓投片量增加，只有14％是來(lái)自制程微縮讓每片晶圓切割出更多芯片。因此晶圓產(chǎn)能意味著潛在的銷售量，是影響制造廠商營(yíng)收的一大因素。從供需結(jié)構(gòu)分析，供給端2019Q4硅片全球產(chǎn)能，200mm已經(jīng)回落至500萬(wàn)片/月，同2016年周期啟動(dòng)時(shí)同一水準(zhǔn)，300mm接近600萬(wàn)片/月，落于景氣高點(diǎn)水位之下，考慮到需求端芯片存在1高性能計(jì)算芯片/指紋識(shí)別die面積增大；2新應(yīng)用（5G/車聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算）等所需硅含量提升，供需緊平衡已經(jīng)出現(xiàn)。

產(chǎn)業(yè)鏈——晶圓及下游

目前市場(chǎng)上的晶圓市場(chǎng)基本被大約15家晶圓廠壟斷了95%的份額，主要原因就是晶圓的制造難度很大，而客戶對(duì)純度和尺寸的要求又非常高，國(guó)產(chǎn)晶圓廠面臨著的是逆境突圍的局勢(shì)。上游芯片制造封測(cè)支撐行業(yè)，主要是半導(dǎo)體設(shè)備和材料提供商；中游半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)分為集成電路設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三個(gè)部分。IC設(shè)計(jì)廠商有華為、高通、AMD、英偉達(dá)。下游半導(dǎo)體終端應(yīng)用領(lǐng)域有汽車電子、工業(yè)電子、通信、消費(fèi)電子、PC等領(lǐng)域。

硅晶圓廠是生產(chǎn)單晶硅片的，是芯片代工廠的上游，硅晶圓片是最常用的半導(dǎo)體材料，是芯片生產(chǎn)過(guò)程中成本占比最高的材料。

據(jù)中信證券數(shù)據(jù)顯示，從硅晶圓供給廠商格局：日廠把控，寡頭格局穩(wěn)定。日本廠商占據(jù)硅晶圓50%以上市場(chǎng)份額。前五大廠商占據(jù)全球90%以上份額。其中，日本信越化學(xué)占比27%、日本SUMCO占比26%，兩家日本廠商份額合計(jì)53%，超過(guò)一半，中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓于2016年12月晶圓產(chǎn)業(yè)低谷期間收購(gòu)美國(guó)SunEdison半導(dǎo)體，由第六晉升第三名，占比17%，德國(guó)Siltronic占比13%，韓國(guó)SKSiltron（原LGSiltron，2017年被SK集團(tuán)收購(gòu)）占比9%，與前四大廠商不同，SKSiltron僅供應(yīng)韓國(guó)客戶。

中國(guó)目前具備硅晶圓生產(chǎn)能力的企業(yè)主要包括浙江金瑞泓、北京有研總院、上海新昇。國(guó)內(nèi)有中環(huán)股份，還有上海新陽(yáng)參股的公司生產(chǎn)。

此外還有法國(guó)Soitec、中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)勝科、合晶、嘉晶等企業(yè)，份額相對(duì)較小。各大廠商供應(yīng)晶圓類別與尺寸上有所不同，總體來(lái)看前三大廠商產(chǎn)品較為多樣。前三大廠商能夠供應(yīng)Si退火片、SOI晶片，其中僅日本信越能夠供應(yīng)12英寸SOI晶片。德國(guó)Siltronic、韓國(guó)SKSiltron不提供SOI晶片，SKSiltron不供應(yīng)Si退火片。而Si拋光片與Si外延片各家尺寸基本沒有差別。

中國(guó)硅片市場(chǎng)增速領(lǐng)先全球。隨著中國(guó)晶圓廠投產(chǎn)高峰的來(lái)臨，中國(guó)大陸半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)步入了快速發(fā)展階段。2016年至2018年，中國(guó)大陸半導(dǎo)體硅片銷售額從5億美元上升至10億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)40.8%，遠(yuǎn)高于同期全球市場(chǎng)。

終端應(yīng)用

智能手機(jī)，PC 智能手機(jī)核心芯片涉及先進(jìn)制程及化合物半導(dǎo)體材料，CPU為了滿足高性能計(jì)算、續(xù)航散熱這些需求，對(duì)芯片制程需求越來(lái)越高，手機(jī)和電腦都是最先采用先進(jìn)制程的領(lǐng)域。從性能上看，據(jù)techcenturion評(píng)測(cè)，目前手機(jī)CPU芯片性能最好的是蘋果的A13，采用的是臺(tái)積電的7nm工藝。

通信基站 通信基站對(duì)國(guó)外芯片依賴程度極高，且以美國(guó)芯片企業(yè)為主。目前基站系統(tǒng)主要由基帶處理單元（BBU）及射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩部分組成，通常一臺(tái)BBU對(duì)應(yīng)多臺(tái)RRU設(shè)備。主要難點(diǎn)體現(xiàn)在RRU芯片器件涉及大功率射頻場(chǎng)景，通常采用砷 化鎵或氮化鎵材料。

汽車電子 汽車電子對(duì)于半導(dǎo)體器件需求以MCU、NORFlash、IGBT等為主。傳統(tǒng)汽車內(nèi)部主要以MCU需求較高，包括動(dòng)力控制、安全控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤控制、車載電器等多方面。新能源汽車還包括電子控制單元ECU、功率控制單元PCU、電動(dòng)汽車整車控制單元VCU、混合動(dòng)力汽車整車控制器HCU、電池管理系統(tǒng)BMS以及逆變器核心部件IGBT元件。

AI與礦機(jī)芯片 5G、IoT AI芯片與礦機(jī)芯片屬于高性能計(jì)算，對(duì)于先進(jìn)制程要求較高。在AI及區(qū)塊鏈場(chǎng)景下，傳統(tǒng)CPU算力不足，新架構(gòu)芯片成為發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前主要有延續(xù)傳統(tǒng)架構(gòu)的GPU、FPGA、ASIC（TPU、NPU等）芯片路徑，以及徹底顛覆傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，采用模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)來(lái)提升計(jì)算能力的芯片路徑。云端領(lǐng)域GPU生態(tài)領(lǐng)先，而終端場(chǎng)景專用化是未來(lái)趨勢(shì)。 5G輻射領(lǐng)域可進(jìn)一步細(xì)分為電信基站設(shè)備，智能手機(jī)/平板電腦，聯(lián)網(wǎng)車輛，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，寬帶接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。據(jù)GrandViewResearch預(yù)測(cè)，到2019年，智能手機(jī)/平板電腦細(xì)分市場(chǎng)估計(jì)將達(dá)到6.2707億美元。游戲、超高清視頻及視頻通話推動(dòng)5G智能手機(jī)需求。此外，在部署5G電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面的持續(xù)投資也增加了對(duì)5G芯片組組件的總體需求。全球5G芯片組市場(chǎng)估計(jì)將從2020年到2025年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為69.7％。