近年来全球硅晶圆供给不足,导致 8 英寸、12 英寸硅晶圆订单能见度分别已达 2019 上半年和年底。目前国内多个硅晶圆项目已经开始,期望能够打破进口依赖,并且有足够的能力满足市场需求。

 
知识点一:什么是硅晶圆?
硅晶圆就是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成长硅晶棒,成为制造积体电路的石英半导体的材料,经过照相制版,研磨,抛光,切片等程序,将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的晶圆。
 
1、纯化。分成两个阶段,第一步是冶金级纯化,此过程主要是加入碳,以氧化还原的方式,将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅。大部份的金属提炼,像是铁或铜等金属,皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是,98% 对于芯片制造来说依旧不够,仍需要进一步提升。因此,将再进一步采用西门子制程(Siemens process)作纯化,如此,将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。
 
图:硅柱制造流程
 
2、拉晶。首先,将前面所获得的高纯度多晶硅融化,形成液态的硅。之后,以单晶的硅种(seed)和液体表面接触,一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种,是因为硅原子排列就和人排队一样,会需要排头让后来的人该如何正确的排列,硅种便是重要的排头,让后来的原子知道该如何排队。最后,待离开液面的硅原子凝固后,排列整齐的单晶硅柱便完成了。
 
图:单晶硅柱
 
3、切割成片。只是,一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板,为了产生一片一片的硅晶圆,接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片,圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。
 
图:硅晶圆就长这样
 
6 寸、8 寸、12 寸指的是什么?
指的是产生的晶柱,表面经过处理并切成薄圆片后的直径。尺寸越大时,拉晶对速度与温度的要求更高,因此做出高品质 12 寸晶圆的难度比 8 寸晶圆更高。
 
知识点二:哪些厂商生产硅晶圆?
集成电路用硅片是制造技术门槛极高的尖端高科技产品,全球只有大约 10 家企业能够制造,其中前 5 家企业占有 90%的市场份额。世界头两名集成电路用硅片制造商是日本信越(Shin-Etsu)和 SUMCO,占全球 60 以上%;这两家企业生产的大尺寸硅片(200 毫米和 300 毫米)则占全球的 70%以上,形成绝对垄断和极高的技术壁垒。
 
全球硅片生产厂商包括日本信越(Shin-Etsu)、日本胜高(Sumco)、台湾环球晶圆(Global Wafer)、德国世创(Siltronic)、韩国 LG Siltron、法国 Soitec、台湾合晶(Wafer Works)、芬兰 Okmetic、台湾嘉晶(Episil)。
 
2017 年 8 月,胜高(SUMCO) 宣布投资约 3.97 亿美元增产旗下伊万里工厂,是近十年来首次大规模增产,预计于 2019 年上半年将 12 寸硅晶圆的月产能提高 11 万片。  
 
环球晶圆在台湾、中国大陆、日本与欧美等地均有布局,公司已与日本半导体设备厂 Ferrotec 合作建置上海 8 英寸硅晶圆厂,初期月产能约达 10 万片。 同时,双方也已洽商在杭州另行兴建 8 英寸厂,初步规划于 2019 年底时可开始生产。
 
环球晶圆是中美硅晶的子公司,2012 年收购通过前身为东芝陶瓷的 CovalentMaterials(现为 CoorsTek)的半导体晶圆业务,扩大了业务范围。后通过收购全球第四大半导体硅晶圆制造与供货商 SunEdisonSemiconductor 一跃成为第三大硅晶圆供货商。 
 
全球第四大硅晶圆厂商 Siltronic 总部位于德国慕尼黑,资料显示公司在德国拥有 150/200/300mm 的产线,在美国有一座 200mm 的晶圆厂,在新加波则拥有 200 和 300mm 的产线。  
 
LG Siltron 是 LG 旗下制造半导体芯片基础材料半导体硅晶片的专门企业。然而 SK 集团于 2017 年 1 月份收购了 LG Siltron 51%的股份,以此打入半导体材料和零件领域。
 
2018 年 3 月 21 日,嘉晶董事长徐建华表示,客户端对嘉晶需求非常强,追单多到难以满足,车用、挖矿、资料中心等订单尤其超强劲,有的客户甚至要求签订长约,以保障产能。嘉晶今年初扩增产能,新产能约第二季起陆续产出,后续扩产也会专注在利基型产品。
 
国内硅晶圆项目有哪些?
目前国内已经开始硅片项目,包括上海新昇、重庆超硅、宁夏银和、浙江金瑞泓、郑州合晶、西安高新区项目等。合计投资规模超 520 亿元人民币,正在规划中的 12 寸硅片月产能已经达到 120 万片。
 
新昇半导体是全球领先的 12 寸大硅片制造商之一,专注于 300mm 硅片的制造。2017 年新昇开始试生产,向各类客户提供测试片。在过去的 6 个月内每月产出数万片,目前正在进行第一阶段每月 10 万硅片产能的建设,预计今年内完成,并在今年下半年开始下一阶段每月 20 万硅片产能的建设,预计将在 2019 年完成。
 
2018 年 3 月 18 日,总投资 16 亿元的宁夏银和半导体科技有限公司大尺寸半导体硅片项目在银川经济技术开发区开工。项目建成后,可年产 420 万片 8 英寸半导体级单晶硅片和年产 240 万片 12 英寸半导体级单晶硅片。
 
天津中环半导体最新公告表明,公司在直拉单晶方面实现了 8 英寸直拉单晶量产,并在 2018 年一季度,实现 12 英寸直拉单晶样品试制。在半导体区熔单晶及抛光片方面,8 英寸半导体抛光片项目产能已陆续释放,2018 年 3 月,8 英寸抛光片产能已达到 10 万片 / 月,预计项目 2018 年 10 月建成。
 
后产能将达到 30 万片 / 月,实现国内最大市场占有率,同时建立 12 英寸抛光片试验线,预计 2018 年底实现产能 2 万片 / 月。公司在江苏地区大直径抛光片产业化方面预计 2018 年四季度设备进场调试。项目投资完成后,预计 2022 年将实现 8 英寸抛光片产能 75 万片 / 月,12 英寸抛光片产能 60 万片 / 月的生产规模。
 
重庆超硅半导体于 2014 年 5 月开工,2016 年 4 月投入试生产。2016 年 5 月第一根 IC 级 8 英寸单晶硅棒成功拉出;2016 年 9 月第一根 IC 级 12 英寸单晶硅棒成功拉出;2016 年 10 月第一批 IC 级单晶硅顺利下线,预示“极大规模集成电路用 300 毫米(含 200 毫米)单晶硅晶体生长与抛光硅片及延伸产品(一期)”项目正式建成,并举行产品下线仪式;2017 年 1 月 20 日第一批 200 毫米硅片产品出厂发货。达产后将实现 8 英寸硅片年产 600 万片、12 英寸硅片年产 60 万片的产能。
 
2017 年 1 月金瑞泓科技(衢州)有限公司举行开工仪式,项目规划总投资 50 亿元,建成月产 40 万片 8 英寸硅片和月产 10 万片 12 英寸硅片的项目规模。项目计划分三期逐步实施。一期总投资约 7 亿元,建设周期为 2017 年至 2019 年,用地 100 亩,计划 2017 年建成月产 10 万片 8 英寸硅外延片项目;二三期项目总投资 43 亿元,用地 120 亩,将形成月产 30 万片 8 英寸硅片项目生产线和月产 10 万片 12 英寸硅片项目生产线。
 
2017 年 7 月 27 日,郑州合晶硅材料有限公司年产 240 万片 200mm 硅单晶抛光片生产项目建设动员大会举行。项目计划总投资 53 亿元,占地 153 亩,主要建设 200 毫米、300 毫米硅材料衬底片和外延片生产基地。项目共分两期实施,一期产能为 200 毫米硅材料衬底片 20 万片 / 月,二期产能为 300 毫米硅材料衬底片 25 万片 / 月和外延片 9 万片。
 
2017 年 12 月 9 日,奕斯伟硅产业基地项目签约仪式在西安举行。西安高新区与北京芯动能公司、北京奕斯伟公司三方共同签署了硅产业基地项目投资合作意向书。根据意向书,该项目总投资超过 100 亿元,由北京芯动能公司旗下北京奕斯伟公司作为主体统一规划、分期推进。
 
知识点三:供需关系解读
据 Gartner 的预测,到 2020 年全球硅片市场规模将达到 110 亿美元左右。目前全球硅晶圆供给方面,12 英寸硅晶圆月产能约 550~560 万片。目前国还不具备 12 英寸硅片的生产能力,一直依赖进口,当前国内的总需求约为 45 万片 / 月,预估到 2020 年我国 12 寸硅片月需求量为 80-100 万片。
 
据了解国内规划中的 12 寸硅片月产能已经达到 120 万片,如果顺利进行那么产能就能满足自我需求。另外业内人士表示,如果国内 8 英寸项目都能实现量产目标,将可能会出现产能过剩。