【快收藏】晶圓與矽:產業鏈信息量這麼大! 您真的都懂麼?__上海有...

SMM9月3日訊：前段時間荷蘭ASML光刻機進口成為大眾焦點，但是晶片是人類智慧的高度結晶，其製作過程中除了光刻還有許多其它複雜步驟。晶圓是製造半導體晶片的基本材料，半導體集成電路最主要的原料是矽，因此對應的就是矽晶圓。金屬矽便屬於晶圓的上遊產品。

高純度的多晶矽經過單晶矽再研磨、拋光、切片後，形成矽晶圓片。目前國內晶圓生產線以8英寸和12英寸為主。在矽晶片上可加工製作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能之IC產品。目前對12寸晶圓需求最強的是存儲晶片（NAND和DRAM），8寸晶圓更多的是用於汽車電子等領域。

晶圓產業鏈

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產業鏈上遊——金屬矽

金屬矽（Silicon metal）又稱結晶矽或工業矽，是由矽礦石和石油焦、精煤等還原劑在礦熱爐內經一系列氧化還原反應冶煉成的產品，矽純度一般在98-99%，另含有少量鐵、鋁、鈣等。

金屬矽有非鐵基合金的添加劑的作用，是鋁合金中的良好組元，絕大多數鑄造鋁合金都含有矽。除了有色行業，金屬矽也是有機矽單體、太陽能級和電子級多晶矽最主要的原料。

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晶圓製造過程

晶圓的襯底材料是矽，由二氧化矽礦石經電弧爐初步提純達到矽含量在98-99%的金屬矽，金屬矽再經過一系列提純得到多晶矽，其中矽純度在11個9以上的超純多晶矽，又被稱為電子級多晶矽。超純多晶矽在石英坩堝中熔化，並摻入硼（P）、磷（B）等元素改變其導電能力，放入籽晶確定晶向，經過單晶生長，製成具有特定電性功能的單晶矽錠。熔體的溫度、提拉速度和籽晶/石英坩堝的旋轉速度決定了單晶矽錠的尺寸和晶體質量，而熔體中的硼（P）、磷（B）等雜質元素的濃度決定了單晶矽錠的電特性。單晶矽錠經過切片、研磨、蝕刻、拋光、外延（如有）、鍵合（如有）、清洗等工藝步驟，製造成為矽晶圓。晶圓的主要加工方式為片加工和批加工，即同時加工1片或多片晶圓。隨著半導體特徵尺寸越來越小，加工及測量設備越來越先進，使得晶圓加工出現了新的數據特點。同時，特徵尺寸的減小，使得晶圓加工時，空氣中的顆粒數對晶圓加工後質量及可靠性的影響增大，而隨著潔淨的提高，顆粒數也出現了新的數據特點。

脫氧提純矽礦石經電弧爐初步提純純度達到98-99%的金屬矽，金屬矽在經過一系列提純得到多晶矽。

製造晶棒多晶矽在石英坩堝中熔化，放入籽晶確定晶向，採用旋轉拉伸的方法製成具有特定電性功能的單晶矽棒。

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，進行晶圓外觀的打磨拋光。

Wafer鍍膜 通過高溫，或者其他方式，使晶圓上產生一層Si02二氧化矽。Si02二氧化矽為絕緣材料，但有雜質和特殊處理的Si02二氧化矽有一定的導電性。這裡Si02二氧化矽的作用是為了光的傳導，這是為了後面光刻。

上光刻膠 光刻膠和以前照相的膠片一個道理。Wafer上光刻膠，要求薄而平整。

光刻（極紫光刻EVO）將設計好的晶圓電路掩模，放置於光刻的紫外線下，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。一個晶圓的電路要經過多次光刻。隨著極紫光刻新技術出現，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 在真空的環境下經過離子注射，將光刻的晶圓電路裡注入導電材料。一般在一次光刻後就離子注射。

電鍍 在晶圓上電鍍一層硫酸銅。銅離子會從正極走向負極。

拋光 打磨拋光Wafer表面，整個Wafer就已經製造成功了。

晶圓切片 將Wafer切成，單個晶圓Die。

測試 主要分三類：功能測試、性能測試、抗老化測試。具體有如：接觸測試、功耗測試、輸入漏電測試、輸出電平測試、動態參數測試、模擬信號參數測試等等。有壞的晶圓就報廢，此為黑片；有一些測試沒過，但不影響使用的分為白片，可以流出；而全部通過測試的為正片。測算完畢下一步包裝入盒發往封測，Die（裸片）經過封測，就成了我們電子數碼產品上的晶片。

常見的200mmCMOS晶片的晶圓製造過程

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晶圓規格

目前全球晶片市場上，使用最主流的晶圓有三種規格：6寸、8寸、12寸。現在市場上12寸的晶圓是主流，將近7成的產能都是12寸晶圓。晶圓的尺寸越大，製造的難度也就越高，當然這些大晶圓切割出來的晶片也就越多。現在市場上12寸的晶圓是主流，將近7成的產能都是12寸晶圓。

不同種類的晶片一般來說使用的晶圓規格是不一樣的，晶圓的規格趨勢總體上是往越來越大的方向發展的。

功率半導體——6寸和8寸晶圓

MCU等處理器——8寸晶圓

邏輯晶片和存儲晶片——12寸晶圓

從使用領域的角度來看，目前對12寸晶圓需求最強的是存儲晶片（NAND和DRAM），8寸晶圓更多的是用於汽車電子等領域。

另外，不同規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矽片。

一般而言，8寸以下的集成電路產線用拋光片，45nm及以下線寬的12寸晶圓用外延片，SOI是一種新型工藝。拋光片是應用最為廣泛的工藝，因為其它的工藝都是在拋光片的基礎上進行二次開發的，拋光片可以用於製作存儲晶片、功率器件以及外延片的襯底材料。

外延片是拋光片外延生長形成的具有單晶薄膜的襯底晶片，通過氣相外延沉積的方法在襯底上進行長晶，與最下面的襯底結晶面整齊排列進行生長。

SOI主要用於射頻前端晶片、功率器件和汽車電子等領域。

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 晶圓產能

自2000年以來，半導體產業靠著增加晶圓投片量來提高晶片出貨量，利用製程微縮讓每片晶圓切割出更多晶片的貢獻並不多。從2000～2019年，每片晶圓切割出的良品晶片的年平均成長率僅0.9％，但通過增加晶圓投片來增加的良品晶片的年平均成長率達6.5％。總體來看，2000～2019年全球每年新增加的晶片數量，有86％來自晶圓投片量增加，只有14％是來自製程微縮讓每片晶圓切割出更多晶片。因此晶圓產能意味著潛在的銷售量，是影響製造廠商營收的一大因素。

從供需結構分析，供給端2019Q4矽片全球產能，200mm已經回落至500萬片/月，同2016年周期啟動時同一水準，300mm接近600萬片/月，落於景氣高點水位之下，考慮到需求端晶片存在1高性能計算晶片/指紋識別die面積增大；2新應用（5G/車聯網/雲計算）等所需矽含量提升，供需緊平衡已經出現。

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產業鏈——晶圓及下遊

目前市場上的晶圓市場基本被大約15家晶圓廠壟斷了95%的份額，主要原因就是晶圓的製造難度很大，而客戶對純度和尺寸的要求又非常高，國產晶圓廠面臨著的是逆境突圍的局勢。上遊晶片製造封測支撐行業，主要是半導體設備和材料提供商；中遊半導體製造產業分為集成電路設計、製造、封測三個部分。IC設計廠商有華為、高通、AMD、英偉達。下遊半導體終端應用領域有汽車電子、工業電子、通信、消費電子、PC等領域。

矽晶圓廠是生產單晶矽片的，是晶片代工廠的上遊，矽晶圓片是最常用的半導體材料，是晶片生產過程中成本佔比最高的材料。

據中信證券數據顯示，從矽晶圓供給廠商格局：日廠把控，寡頭格局穩定。日本廠商佔據矽晶圓50%以上市場份額。前五大廠商佔據全球90%以上份額。其中，日本信越化學佔比27%、日本SUMCO佔比26%，兩家日本廠商份額合計53%，超過一半，中國臺灣環球晶圓於2016年12月晶圓產業低谷期間收購美國SunEdison半導體，由第六晉升第三名，佔比17%，德國Siltronic佔比13%，韓國SKSiltron（原LGSiltron，2017年被SK集團收購）佔比9%，與前四大廠商不同，SKSiltron僅供應韓國客戶。 

中國目前具備矽晶圓生產能力的企業主要包括浙江金瑞泓、北京有研總院、上海新昇。國內有中環股份，還有上海新陽參股的公司生產。

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

中國矽片市場增速領先全球。隨著中國晶圓廠投產高峰的來臨，中國大陸半導體矽片市場步入了快速發展階段。2016年至2018年，中國大陸半導體矽片銷售額從5億美元上升至10億美元，年均複合增長率高達40.8%，遠高於同期全球市場。

終端應用

智慧型手機,PC

智慧型手機核心晶片涉及先進位程及化合物半導體材料，CPU為了滿足高性能計算、續航散熱這些需求，對晶片製程需求越來越高，手機和電腦都是最先採用先進位程的領域。從性能上看，據techcenturion評測，目前手機CPU晶片性能最好的是蘋果的A13，採用的是臺積電的7nm工藝。

通信基站

通信基站對國外晶片依賴程度極高，且以美國晶片企業為主。目前基站系統主要由基帶處理單元（BBU）及射頻拉遠單元（RRU）兩部分組成，通常一臺BBU對應多臺RRU設備。主要難點體現在RRU晶片器件涉及大功率射頻場景，通常採用砷 化鎵或氮化鎵材料。

汽車電子

汽車電子對於半導體器件需求以MCU、NORFlash、IGBT等為主。傳統汽車內部主要以MCU需求較高，包括動力控制、安全控制、發動機控制、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、電動汽車整車控制單元VCU、混合動力汽車整車控制器HCU、電池管理系統BMS以及逆變器核心部件IGBT元件。 

AI與礦機晶片 5G、IoT

AI晶片與礦機晶片屬於高性能計算，對於先進位程要求較高。在AI及區塊鏈場景下，傳統CPU算力不足，新架構晶片成為發展趨勢。當前主要有延續傳統架構的GPU、FPGA、ASIC（TPU、NPU等）晶片路徑，以及徹底顛覆傳統計算架構，採用模擬人腦神經元結構來提升計算能力的晶片路徑。雲端領域GPU生態領先，而終端場景專用化是未來趨勢。 

5G輻射領域可進一步細分為電信基站設備，智慧型手機/平板電腦，聯網車輛，聯網設備，寬帶接入網關設備等。據GrandViewResearch預測，到2019年，智慧型手機/平板電腦細分市場估計將達到6.2707億美元。遊戲、超高清視頻及視頻通話推動5G智慧型手機需求。此外，在部署5G電信網絡基礎設施方面的持續投資也增加了對5G晶片組組件的總體需求。全球5G晶片組市場估計將從2020年到2025年的複合年增長率為69.7％。

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