干货：一文让你理解晶圆与硅

来源：上海有色网

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）又称结晶硅或工业硅，是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年来，含Si量99.99%的也包含在金属硅内），另含有少量铁、铝、钙等。

其主要用途是作为晶圆原材料，半导体硅用于制作半导体器件的高纯度金属硅。是以多晶、单晶形态应用。此前苹果公司宣布自主研发ARM电脑处理器的计划，并将其直接命名为AppleSilicon。金属硅还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。

晶圆制造过程

晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸 氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%。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。

脱氧提纯沙子、石英经过脱氧提纯以后的得到含硅量25％的Si02二氧化硅。氧化硅经由电弧炉提炼，盐酸 氯化，并蒸馏后，得到纯度高达99%以上的晶体硅。

制造晶棒晶体硅经过高温成型，采用旋转拉伸的方法做成圆形的晶棒。

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。外延片是在抛光片的基础上生长了一层单晶硅，一般用于通用处理器芯片、二极管以及IGBT功率器件的制造。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％。