SMM9月3日訊：前段時間荷蘭ASML光刻機進口成為大眾焦點，但是芯片是人類智慧的高度結(jié)晶，其制作過程中除了光刻還有許多其它復雜步驟。晶圓是制造半導體芯片的基本材料，半導體集成電路最主要的原料是硅，因此對應的就是硅晶圓。金屬硅便屬于晶圓的上游產(chǎn)品。

高純度的多晶硅經(jīng)過單晶硅再研磨、拋光、切片后，形成硅晶圓片。目前國內(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12寸晶圓需求最強的是存儲芯片（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，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，半導體硅用于制作半導體器件的高純度金屬硅。是以多晶、單晶形態(tài)應用。此前蘋果公司宣布自主研發(fā)ARM電腦處理器的計劃，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99．999999999％。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。隨著半導體特征尺寸越來越小，加工及測量設備越來越先進，使得晶圓加工出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)特點。同時，特征尺寸的減小，使得晶圓加工時，空氣中的顆粒數(shù)對晶圓加工后質(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。

脫氧提純沙子、石英經(jīng)過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99％以上的晶體硅。

制造晶棒晶體硅經(jīng)過高溫成型，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(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電性。這里Si02二氧化硅的作用是為了光的傳導，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。一個晶圓的電路要經(jīng)過多次光刻。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)過離子注射，將光刻的晶圓電路里注入導電材料。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。銅離子會從正極走向負極。

拋光 打磨拋光Wafer表面，整個Wafer就已經(jīng)制造成功了。

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(tài)參數(shù)測試、模擬信號參數(shù)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(fā)往封測，Die（裸片）經(jīng)過封測，就成了我們電子數(shù)碼產(chǎn)品上的芯片。

常見的200mmCMOS芯片的晶圓制造過程

晶圓規(guī)格

目前全球芯片市場上，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，當然這些大晶圓切割出來的芯片也就越多。現(xiàn)在市場上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說使用的晶圓規(guī)格是不一樣的，晶圓的規(guī)格趨勢總體上是往越來越大的方向發(fā)展的。

功率半導體——6寸和8寸晶圓

MCU等處理器——8寸晶圓

邏輯芯片和存儲芯片——12寸晶圓

從使用領(lǐng)域的角度來看，目前對12寸晶圓需求最強的是存儲芯片（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(fā)的，拋光片可以用于制作存儲芯片、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上生長了一層單晶硅，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，半導體產(chǎn)業(yè)靠著增加晶圓投片量來提高芯片出貨量，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率僅0．9％，但通過增加晶圓投片來增加的良品芯片的年平均成長率達6．5％?？傮w來看，2000～2019年全球每年新增加的芯片數(shù)量，有86％來自晶圓投片量增加，只有14％是來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500萬片／月，同2016年周期啟動時同一水準，300mm接近600萬片／月，落于景氣高點水位之下，考慮到需求端芯片存在1高性能計算芯片／指紋識別die面積增大；2新應用（5G／車聯(lián)網(wǎng)／云計算）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制造難度很大，而客戶對純度和尺寸的要求又非常高，國產(chǎn)晶圓廠面臨著的是逆境突圍的局勢。上游芯片制造封測支撐行業(yè)，主要是半導體設備和材料提供商；中游半導體制造產(chǎn)業(yè)分為集成電路設計、制造、封測三個部分。IC設計廠商有華為、高通、AMD、英偉達。下游半導體終端應用領(lǐng)域有汽車電子、工業(yè)電子、通信、消費電子、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體材料，是芯片生產(chǎn)過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，日本信越化學占比27％、日本SUMCO占比26％，兩家日本廠商份額合計53％，超過一半，中國臺灣環(huán)球晶圓于2016年12月晶圓產(chǎn)業(yè)低谷期間收購美國SunEdison半導體，由第六晉升第三名，占比17％，德國Siltronic占比13％，韓國SKSiltron（原LGSiltron，2017年被SK集團收購）占比9％，與前四大廠商不同，SKSiltron僅供應韓國客戶。

中國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。國內(nèi)有中環(huán)股份，還有上海新陽參股的公司生產(chǎn)。

此外還有法國Soitec、中國臺灣臺勝科、合晶、嘉晶等企業(yè)，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(chǎn)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。

中國硅片市場增速領(lǐng)先全球。隨著中國晶圓廠投產(chǎn)高峰的來臨，中國大陸半導體硅片市場步入了快速發(fā)展階段。2016年至2018年，中國大陸半導體硅片銷售額從5億美元上升至10億美元，年均復合增長率高達40．8％，遠高于同期全球市場。

終端應用

智能手機，PC

智能手機核心芯片涉及先進制程及化合物半導體材料，CPU為了滿足高性能計算、續(xù)航散熱這些需求，對芯片制程需求越來越高，手機和電腦都是最先采用先進制程的領(lǐng)域。從性能上看，據(jù)techcenturion評測，目前手機CPU芯片性能最好的是蘋果的A13，采用的是臺積電的7nm工藝。

通信基站

通信基站對國外芯片依賴程度極高，且以美國芯片企業(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(xiàn)在RRU芯片器件涉及大功率射頻場景，通常采用砷 化鎵或氮化鎵材料。

汽車電子

汽車電子對于半導體器件需求以MCU、NORFlash、IGBT等為主。傳統(tǒng)汽車內(nèi)部主要以MCU需求較高，包括動力控制、安全控制、發(fā)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(tǒng)BMS以及逆變器核心部件IGBT元件。

AI與礦機芯片 5G、IoT

AI芯片與礦機芯片屬于高性能計算，對于先進制程要求較高。在AI及區(qū)塊鏈場景下，傳統(tǒng)CPU算力不足，新架構(gòu)芯片成為發(fā)展趨勢。當前主要有延續(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)計算架構(gòu)，采用模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)來提升計算能力的芯片路徑。云端領(lǐng)域GPU生態(tài)領(lǐng)先，而終端場景專用化是未來趨勢。

5G輻射領(lǐng)域可進一步細分為電信基站設備，智能手機／平板電腦，聯(lián)網(wǎng)車輛，聯(lián)網(wǎng)設備，寬帶接入網(wǎng)關(guān)設備等。據(jù)GrandViewResearch預測，到2019年，智能手機／平板電腦細分市場估計將達到6．2707億美元。游戲、超高清視頻及視頻通話推動5G智能手機需求。此外，在部署5G電信網(wǎng)絡基礎設施方面的持續(xù)投資也增加了對5G芯片組組件的總體需求。全球5G芯片組市場估計將從2020年到2025年的復合年增長率為69．7％。

作者：SMM在線問答