【快收藏】晶圆与硅:产业链信息量这么大! 您真的都懂么?

来源:SMM

SMM9月3日讯:前段时间荷兰ASML光刻机进口成为大众焦点,但是芯片是人类智慧的高度结晶,其制作过程中除了光刻还有许多其它复杂步骤。晶圆是制造半导体芯片的基本材料,半导体集成电路最主要的原料是硅,因此对应的就是硅晶圆。金属硅便属于晶圆的上游产品。

高纯度的多晶硅经过单晶硅再研磨、抛光、切片后,形成硅晶圆片。目前国内晶圆生产线以8英寸和12英寸为主。在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能之IC产品。目前对12寸晶圆需求最强的是存储芯片(NAND和DRAM),8寸晶圆更多的是用于汽车电子等领域。

晶圆产业链


产业链上游——金属硅

金属硅(Silicon metal)又称结晶硅或工业硅,是由硅矿石和石油焦、精煤等还原剂在矿热炉内经一系列氧化还原反应冶炼成的产品,硅纯度一般在98-99%,另含有少量铁、铝、钙等。

金属硅有非铁基合金的添加剂的作用,是铝合金中的良好组元,绝大多数铸造铝合金都含有硅。除了有色行业,金属硅也是有机硅单体、太阳能级和电子级多晶硅最主要的原料。


晶圆制造过程

晶圆的衬底材料是硅,由二氧化硅矿石经电弧炉初步提纯达到硅含量在98-99%的金属硅,金属硅再经过一系列提纯得到多晶硅,其中硅纯度在11个9以上的超纯多晶硅,又被称为电子级多晶硅。超纯多晶硅在石英坩埚中熔化,并掺入硼(P)、磷(B)等元素改变其导电能力,放入籽晶确定晶向,经过单晶生长,制成具有特定电性功能的单晶硅锭。熔体的温度、提拉速度和籽晶/石英坩埚的旋转速度决定了单晶硅锭的尺寸和晶体质量,而熔体中的硼(P)、磷(B)等杂质元素的浓度决定了单晶硅锭的电特性。单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延(如有)、键合(如有)、清洗等工艺步骤,制造成为硅晶圆。晶圆的主要加工方式为片加工和批加工,即同时加工1片或多片晶圆。随着半导体特征尺寸越来越小,加工及测量设备越来越先进,使得晶圆加工出现了新的数据特点。同时,特征尺寸的减小,使得晶圆加工时,空气中的颗粒数对晶圆加工后质量及可靠性的影响增大,而随着洁净的提高,颗粒数也出现了新的数据特点。

脱氧提纯硅矿石经电弧炉初步提纯纯度达到98-99%的金属硅,金属硅在经过一系列提纯得到多晶硅。

制造晶棒多晶硅在石英坩埚中熔化,放入籽晶确定晶向,采用旋转拉伸的方法制成具有特定电性功能的单晶硅棒。

晶片分片将晶棒横向切成厚度基本一致的晶圆片,Wafer。

Wafer抛光,进行晶圆外观的打磨抛光。

Wafer镀膜 通过高温,或者其他方式,使晶圆上产生一层Si02二氧化硅。Si02二氧化硅为绝缘材料,但有杂质和特殊处理的Si02二氧化硅有一定的导电性。这里Si02二氧化硅的作用是为了光的传导,这是为了后面光刻。

上光刻胶 光刻胶和以前照相的胶片一个道理。Wafer上光刻胶,要求薄而平整。

光刻(极紫光刻EVO)将设计好的晶圆电路掩模,放置于光刻的紫外线下,下面再放置Wafer。在光刻的瞬间,在Wafer被光刻的部分的光刻胶融化,被刻上了电路图。去除光刻胶,光刻胶上的图案要与掩模上的图案一致。再次光刻。一个晶圆的电路要经过多次光刻。随着极紫光刻新技术出现,晶圆的光刻变得更精确,也更有效率了,甚至可以一次完成全部光刻了。

离子注射 在真空的环境下经过离子注射,将光刻的晶圆电路里注入导电材料。一般在一次光刻后就离子注射。

电镀 在晶圆上电镀一层硫酸铜。铜离子会从正极走向负极。

抛光 打磨抛光Wafer表面,整个Wafer就已经制造成功了。

晶圆切片 将Wafer切成,单个晶圆Die。

测试 主要分三类:功能测试、性能测试、抗老化测试。具体有如:接触测试、功耗测试、输入漏电测试、输出电平测试、动态参数测试、模拟信号参数测试等等。有坏的晶圆就报废,此为黑片;有一些测试没过,但不影响使用的分为白片,可以流出;而全部通过测试的为正片。测算完毕下一步包装入盒发往封测,Die(裸片)经过封测,就成了我们电子数码产品上的芯片。

常见的200mmCMOS芯片的晶圆制造过程


晶圆规格

目前全球芯片市场上,使用最主流的晶圆有三种规格:6寸、8寸、12寸。现在市场上12寸的晶圆是主流,将近7成的产能都是12寸晶圆。晶圆的尺寸越大,制造的难度也就越高,当然这些大晶圆切割出来的芯片也就越多。现在市场上12寸的晶圆是主流,将近7成的产能都是12寸晶圆。

不同种类的芯片一般来说使用的晶圆规格是不一样的,晶圆的规格趋势总体上是往越来越大的方向发展的。

功率半导体——6寸和8寸晶圆

MCU等处理器——8寸晶圆

逻辑芯片和存储芯片——12寸晶圆

从使用领域的角度来看,目前对12寸晶圆需求最强的是存储芯片(NAND和DRAM),8寸晶圆更多的是用于汽车电子等领域。

另外,不同规格的晶圆的工艺往往也是有差别的。在工艺的类型划分,可以将wafer划分为3种:抛光片、外延片和以SOI硅片。

一般而言,8寸以下的集成电路产线用抛光片,45nm及以下线宽的12寸晶圆用外延片,SOI是一种新型工艺。抛光片是应用最为广泛的工艺,因为其它的工艺都是在抛光片的基础上进行二次开发的,抛光片可以用于制作存储芯片、功率器件以及外延片的衬底材料。

外延片是抛光片外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底晶片,通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶,与最下面的衬底结晶面整齐排列进行生长。

SOI主要用于射频前端芯片、功率器件和汽车电子等领域。


 晶圆产能

自2000年以来,半导体产业靠着增加晶圆投片量来提高芯片出货量,利用制程微缩让每片晶圆切割出更多芯片的贡献并不多。从2000~2019年,每片晶圆切割出的良品芯片的年平均成长率仅0.9%,但通过增加晶圆投片来增加的良品芯片的年平均成长率达6.5%。总体来看,2000~2019年全球每年新增加的芯片数量,有86%来自晶圆投片量增加,只有14%是来自制程微缩让每片晶圆切割出更多芯片。因此晶圆产能意味着潜在的销售量,是影响制造厂商营收的一大因素。

从供需结构分析,供给端2019Q4硅片全球产能,200mm已经回落至500万片/月,同2016年周期启动时同一水准,300mm接近600万片/月,落于景气高点水位之下,考虑到需求端芯片存在1高性能计算芯片/指纹识别die面积增大;2新应用(5G/车联网/云计算)等所需硅含量提升,供需紧平衡已经出现。


产业链——晶圆及下游

目前市场上的晶圆市场基本被大约15家晶圆厂垄断了95%的份额,主要原因就是晶圆的制造难度很大,而客户对纯度和尺寸的要求又非常高,国产晶圆厂面临着的是逆境突围的局势。上游芯片制造封测支撑行业,主要是半导体设备和材料提供商;中游半导体制造产业分为集成电路设计、制造、封测三个部分。IC设计厂商有华为、高通、AMD、英伟达。下游半导体终端应用领域有汽车电子、工业电子、通信、消费电子、PC等领域。

硅晶圆厂是生产单晶硅片的,是芯片代工厂的上游,硅晶圆片是最常用的半导体材料,是芯片生产过程中成本占比最高的材料。

据中信证券数据显示,从硅晶圆供给厂商格局:日厂把控,寡头格局稳定。日本厂商占据硅晶圆50%以上市场份额。前五大厂商占据全球90%以上份额。其中,日本信越化学占比27%、日本SUMCO占比26%,两家日本厂商份额合计53%,超过一半,中国台湾环球晶圆于2016年12月晶圆产业低谷期间收购美国SunEdison半导体,由第六晋升第三名,占比17%,德国Siltronic占比13%,韩国SKSiltron(原LGSiltron,2017年被SK集团收购)占比9%,与前四大厂商不同,SKSiltron仅供应韩国客户。 

中国目前具备硅晶圆生产能力的企业主要包括浙江金瑞泓、北京有研总院、上海新昇。国内有中环股份,还有上海新阳参股的公司生产。

此外还有法国Soitec、中国台湾台胜科、合晶、嘉晶等企业,份额相对较小。各大厂商供应晶圆类别与尺寸上有所不同,总体来看前三大厂商产品较为多样。前三大厂商能够供应Si退火片、SOI晶片,其中仅日本信越能够供应12英寸SOI晶片。德国Siltronic、韩国SKSiltron不提供SOI晶片,SKSiltron不供应Si退火片。而Si抛光片与Si外延片各家尺寸基本没有差别。

中国硅片市场增速领先全球。随着中国晶圆厂投产高峰的来临,中国大陆半导体硅片市场步入了快速发展阶段。2016年至2018年,中国大陆半导体硅片销售额从5亿美元上升至10亿美元,年均复合增长率高达40.8%,远高于同期全球市场。

终端应用

智能手机,PC

智能手机核心芯片涉及先进制程及化合物半导体材料,CPU为了满足高性能计算、续航散热这些需求,对芯片制程需求越来越高,手机和电脑都是最先采用先进制程的领域。从性能上看,据techcenturion评测,目前手机CPU芯片性能最好的是苹果的A13,采用的是台积电的7nm工艺。

通信基站

通信基站对国外芯片依赖程度极高,且以美国芯片企业为主。目前基站系统主要由基带处理单元(BBU)及射频拉远单元(RRU)两部分组成,通常一台BBU对应多台RRU设备。主要难点体现在RRU芯片器件涉及大功率射频场景,通常采用砷 化镓或氮化镓材料。

汽车电子

汽车电子对于半导体器件需求以MCU、NORFlash、IGBT等为主。传统汽车内部主要以MCU需求较高,包括动力控制、安全控制、发动机控制、底盘控制、车载电器等多方面。新能源汽车还包括电子控制单元ECU、功率控制单元PCU、电动汽车整车控制单元VCU、混合动力汽车整车控制器HCU、电池管理系统BMS以及逆变器核心部件IGBT元件。 

AI与矿机芯片 5G、IoT

AI芯片与矿机芯片属于高性能计算,对于先进制程要求较高。在AI及区块链场景下,传统CPU算力不足,新架构芯片成为发展趋势。当前主要有延续传统架构的GPU、FPGA、ASIC(TPU、NPU等)芯片路径,以及彻底颠覆传统计算架构,采用模拟人脑神经元结构来提升计算能力的芯片路径。云端领域GPU生态领先,而终端场景专用化是未来趋势。 

5G辐射领域可进一步细分为电信基站设备,智能手机/平板电脑,联网车辆,联网设备,宽带接入网关设备等。据GrandViewResearch预测,到2019年,智能手机/平板电脑细分市场估计将达到6.2707亿美元。游戏、超高清视频及视频通话推动5G智能手机需求。此外,在部署5G电信网络基础设施方面的持续投资也增加了对5G芯片组组件的总体需求。全球5G芯片组市场估计将从2020年到2025年的复合年增长率为69.7%。


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