【行業(yè)分析】硅晶圓的制造步驟及未來(lái)發(fā)展應(yīng)用

1、近年來(lái)，國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)越來(lái)越重視，已經(jīng)將集成電路作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。作為全球最重要的電子制造基地，中國(guó)的電子應(yīng)用市場(chǎng)巨大，有著廣闊的前景。盡管如此，我們?nèi)圆荒苓^(guò)于驕傲，畢竟還有很多的技術(shù)等待著去突破，除了芯片相關(guān)技術(shù)，晶圓的制造也是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。電子產(chǎn)業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，越往上游企業(yè)相對(duì)越少，技術(shù)難度越大，晶圓是造芯片的原材料，屬于芯片的上游。芯片、晶圓制造都屬于 “航天級(jí)”的尖端技術(shù)，難度系數(shù)均是最高的一級(jí)，晶圓制造是比造芯片還要難的一門(mén)技術(shù)。如果把芯片比作宇宙飛船，那么晶圓就是航空母艦了，沒(méi)幾家能造得出來(lái)。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，全球能制造高純度電子級(jí)硅的企業(yè)不足100家，其中

2、主要的15家硅晶圓廠壟斷95%以上的市場(chǎng)。在晶圓制造上，沒(méi)有所謂的“百花齊放”，有的是巨頭們的“孤芳自賞”，正是如此，全球的晶圓也是持續(xù)漲價(jià)，市場(chǎng)呈現(xiàn)一種繁榮景氣的形勢(shì)。硅晶圓制造的三大步驟硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。1、硅提煉及提純硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。2、單晶硅生長(zhǎng)（用直拉法制造晶圓的流程圖，由OFw

3、eek電子工程網(wǎng)制作）晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn)，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。用直拉法生長(zhǎng)后，單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。晶圓制造廠把這些多晶硅

4、融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。3、晶圓成型完成了上述兩道工藝， 硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠的基本原料硅晶圓片，這就是“晶圓”。晶圓制造到底難在哪？晶圓的制造工藝倒不是很復(fù)雜，其難度在于半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)晶圓的純度要求很高，純度需要達(dá)到99.999999999%或以上。以硅晶片為例，硅從石英砂里提煉出來(lái)，在高溫下，碳和里面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只能得到純度約為98%的純硅，這對(duì)于微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此

5、需要進(jìn)一步提純。而在進(jìn)行硅的進(jìn)一步提純工藝中，光刻技術(shù)的難度很高，在晶圓制造工藝中，光刻是必須經(jīng)歷的一個(gè)步驟。光刻工藝是晶圓制造最大的“一道坎”晶圓制造中的光刻是指在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過(guò)程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的過(guò)程。1、光刻去薄膜是晶圓制造的必經(jīng)流程由于晶圓生產(chǎn)工藝中，其表面會(huì)形成薄膜，這需要光刻技術(shù)將它去掉。在晶圓制造過(guò)程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成，這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分，通過(guò)光刻工藝過(guò)程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。2、光刻確定尺寸，馬虎不得光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸，光刻過(guò)程中的

6、錯(cuò)誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好，最終可轉(zhuǎn)化為對(duì)器件的電特性產(chǎn)生影響。3、高端光刻機(jī)產(chǎn)能嚴(yán)重不足光刻機(jī)也叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，常用的光刻機(jī)是掩膜對(duì)準(zhǔn)光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機(jī)市場(chǎng)，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機(jī)的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機(jī)的不足五家，在高端光刻機(jī)市場(chǎng)，中國(guó)企業(yè)幾乎全軍覆沒(méi)。15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷95%以上市場(chǎng)正是由于晶圓制造難度大，客戶對(duì)純度與尺寸的要求很高，全球的主要15家硅晶圓供應(yīng)商壟斷了95%以上市場(chǎng)。以信越半導(dǎo)體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng)、LG等為代表的

7、晶圓企業(yè)幾乎供應(yīng)了全球八成的半導(dǎo)體企業(yè)，而且長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。以全球第三大晶圓廠臺(tái)灣環(huán)球晶圓為例，其晶圓訂單到2020年方可消化完全。由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等原因，臺(tái)灣和日本的晶圓企業(yè)占據(jù)了全球主要產(chǎn)能。技術(shù)上，它們的優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上。中國(guó)這幾年對(duì)晶圓生產(chǎn)的重視，誕生了許多晶圓企業(yè)，逐步形成了長(zhǎng)三角、中西部為核心、輻射周邊的局面，目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的實(shí)力。據(jù)悉，12英寸晶圓方面也是好消息不斷，上海新昇近日表示，他們的12英寸晶圓已通過(guò)認(rèn)證，預(yù)計(jì)年底能達(dá)到每個(gè)月10萬(wàn)片的產(chǎn)能。綜述：隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，晶圓市場(chǎng)會(huì)更加緊俏，尤其是大尺寸、高純度的晶圓，巨

8、大的市場(chǎng)前景也讓很多企業(yè)蠢蠢欲動(dòng)。未來(lái)，晶圓制造工藝會(huì)越來(lái)越透明化，對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言，通過(guò)學(xué)習(xí)“前輩們”的經(jīng)驗(yàn)，將晶圓工藝中的這些技術(shù)難題逐一解決，挑戰(zhàn)巨頭的地位就多了些籌碼，晶圓市場(chǎng)不應(yīng)該只是這幾家的天下。今年全球首季硅晶圓出貨創(chuàng)史上新高國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）旗下硅晶圓制造者部門(mén)SMG（Silicon ManufacturersGroup）最新公布，全球首季硅晶圓出貨總面積創(chuàng)史上新高，來(lái)到3084百萬(wàn)平方英寸。全球首季硅晶圓出貨量較前季增加36，較去年同期成長(zhǎng)79。SEMI主席Neil Weaver并看好今年硅晶圓市況持續(xù)強(qiáng)勁。有鑒于硅晶圓需求高檔不墜，硅晶圓大廠環(huán)球晶圓（6488）

9、日前決定斥資約449億美元擴(kuò)充韓國(guó)12寸硅晶圓廠的產(chǎn)能，并與地方政府達(dá)成合作協(xié)議，計(jì)劃于2020年完成。另外，日本硅晶圓巨頭SUMCO日前公布上季（2018年13月）財(cái)報(bào)指出，在半導(dǎo)體需求支撐下，各尺寸硅晶圓需求強(qiáng)勁，其中12寸產(chǎn)品供不應(yīng)求，8寸以下硅晶圓供給也呈現(xiàn)吃緊。硅片是半導(dǎo)體產(chǎn)品最基礎(chǔ)的原材料，由于不可替代性而緊扼全球晶圓廠的產(chǎn)能， 硅片在晶圓產(chǎn)品成本中的占比與晶圓廠設(shè)備折舊有關(guān)。根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2017年全球硅片市場(chǎng)規(guī)模約為758億美元，占晶圓制造材料市場(chǎng)的298。不同晶圓廠的折舊金額對(duì)成本的影響較大，因此不同折舊比例下硅片在總成本中的比例差別較大，以聯(lián)電、世界先進(jìn)、先進(jìn)半導(dǎo)體、

10、華虹半導(dǎo)體為例，聯(lián)電和華虹半導(dǎo)體由于近年來(lái)有進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，因此折舊在總成本中占比較高，硅片成本對(duì)總成本影響較小，而先進(jìn)半導(dǎo)體、世界先進(jìn)折舊在總成本中占比較小，因此總成本對(duì)硅片成本較為敏感。而大部分8寸晶圓廠已折舊完畢，因此8寸晶圓廠對(duì)硅片的價(jià)格較為敏感。供給方面，硅片的供應(yīng)商主要有日本信越、SUMCO、臺(tái)灣的環(huán)球晶圓、德國(guó)的Silitronic、韓國(guó)SK Siltron等，前五大廠商合計(jì)市場(chǎng)占有率超過(guò)90。此外，臺(tái)灣的合晶科技、Ferrotec也是8寸硅片的重要供應(yīng)商。2017年底全球8寸硅片產(chǎn)能約為54 Mwpm。隨著全球8寸晶圓廠產(chǎn)能利用率的逐步提升，8寸硅片的投片量逐步提升，庫(kù)存水平逐漸下降

11、。全球三分之一以上的8寸硅片在日本生產(chǎn)，根據(jù)METI的數(shù)據(jù)，2016 年初開(kāi)始日本國(guó)內(nèi)8寸硅片生產(chǎn)量和銷售量持續(xù)提升，而庫(kù)存水平逐漸下降，存貨比率從最高點(diǎn)的90下降至了2017年年底的44。需求的持續(xù)增加刺激了8寸硅片在2017Q1供給緊張，并從2017H2開(kāi)始漲價(jià)，估計(jì)2017年全年漲價(jià)幅度約為3（12 寸硅片漲價(jià)幅度達(dá)37）。2018Q1 8寸硅片繼續(xù)緊缺并漲價(jià)約10。漲價(jià)幅度有限和擴(kuò)產(chǎn)周期的雙重限制下，8寸硅片緊張的態(tài)勢(shì)短期內(nèi)無(wú)法有效緩解。雖然2017年以來(lái)8寸硅片價(jià)格上漲10以上，但是從長(zhǎng)周期來(lái)看當(dāng)前8寸硅片價(jià)格仍處于歷史低位，從2007年至今8寸硅片價(jià)格下降約40，大部分硅片廠的8寸硅片產(chǎn)品已虧損多年，因此即使8寸硅片價(jià)格上漲，硅片巨頭的擴(kuò)產(chǎn)意愿仍較小。另外硅片的擴(kuò)產(chǎn)周期至少一年及以上，因此我們認(rèn)為短期內(nèi)8寸硅片短缺、價(jià)格上漲的態(tài)勢(shì)將會(huì)延續(xù)，硅片產(chǎn)能短缺或許將成為限制下游8寸晶圓廠產(chǎn)能完全釋放的瓶頸。目前在積極擴(kuò)產(chǎn)8寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec，以及國(guó)內(nèi)的Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）、AST（超硅）等。鄭州合晶硅材料生產(chǎn)項(xiàng)目于2017年7 月動(dòng)工，一