一文读懂硅晶圆缺货背后的供需关系

阿芯2018年3月23日
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。

01什么是硅晶圆?

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。


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。


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。


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。

02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。

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。

03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。

来源:芯师爷

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