芯片的源头，带你了解半导体硅晶片

硅片是生产集成电路的主要原材料。硅片尺寸越大则每片硅片上可以制造的芯片数量就越多，从而制造成本就越低。硅片尺寸的扩大和芯片线宽的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。目前12 寸硅片的出货量占比超过60%，是目前主流的硅片尺寸。半导体硅片通常由高纯度的多晶硅锭釆用查克洛斯法（CZ Method）为主拉成不同电阻率的硅单晶锭，然而经过晶体定向→外园滚磨→加工主、副参考面→切片→倒角→热处理→研磨→化学腐蚀→抛光→清洗→检测→包装等工序。根据硅纯度的不同要求，可分为太阳能等级99，9999%，6个“9”纯度，以及半导体等级11个“9”。本文只涉及半导体用的硅片。硅晶园在半导体制造业中广泛使用各种不同尺寸与规格的硅片，通常包括4英寸，5英寸，6英寸，8英寸及12英寸，它们的基本规格如下表所示。

來源：半导体制程技术导论；2001年肖宏P102按IC Insight资料，2015年底全球半导体安装产能总计月产1635.3万片（8英寸计），按地区分布，台湾地区依月产354.7万片，市占率达21.7%，居全球首位，韩国依月产335.7万片，市占率20.5%居第二，日本依月产282.4万片，市占率17.3%，居第三，北美依月产232万片，市占率14.2%居第四，中国依月产159.1万片，市占率9.7%居第五位，欧洲依月产104.6万片，市占率6.4%居第六位，其它地区市占率10.2%。由于缺乏统一定义，硅片尺寸的过渡的时间无法达成共识，其中有一种观点认为累积硅片的出货量超过100万片时，表示该硅片尺寸进入。实际上如英特尔等总是领先其它业者，首先进入更大尺寸的硅片。现将SEMI于2006年的说法，全球硅片尺寸的过渡时间表列于如下；4英寸硅片于1986年；6英寸于1992年；8英寸于1997年及12英寸于2005年。而如果依英特尔的芯片生产线建设（见intel’s all fab list），它的3英寸生产线于1972年 FAB2 ；4英寸生产线于1973年FAB4；6英寸生产线于1978年 FAB5；8英寸生产线于1992年 FAB15；以及它的第一条12英寸生产线 于2002年FAB12 in Hillsboro，与IBM同步。业界较为公认的说法，1980年代是4英寸硅片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2002年时英特尔与IBM首先建12英寸生产线，到2005年己占20%，及2008年占30%，而那时8英寸己下降至54%及6英寸下降主11%。多晶硅的原材料，高纯度的石英，目前已知的全世界的储量，中国最多，品质最好，但是我国之前却是将石英矿沙在高温下还原成金属硅后低价外销，再高价进口多晶硅，并且石英还原成金属硅的阶段是高度污染的。好在近些年光伏产业带动了国内多晶硅产业的发展，目前太阳能等级的多晶硅，我国的产量已经是全球第一。截止2014年，全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,平均约450万片/月。2015年第1～第2季度每月平均需求量约500万片。现在300mm半导体级的硅片，国内一个月需求量约45-50万片，而目前国内的产量几乎为零，这是产业链上最为紧缺的一环，预计未来的5年内仅300mm硅片中国的需求量要超过月产100万片以上。而从硅片的市场供应，全球日本生产的最多，日本信越和SUMCO，这两家的产能和实际供应量总和占全球2/3以上。300mm半导体级的大硅片，不仅是产业链缺失的重要一环，也是国家安全战略发展的需要。国家在2012--2013年时科技部的02专项中，已有大硅片方面项目的经费准备，但迟迟不能立项，原因就是虽然有国内研发机构曾经做过12寸大硅片，研发成功，但由于良率不高还不能量产。2014年，科技部02专项的领导下定决心要攻克12英寸硅片难关。要求是不仅研发成功，更要量产成功。量产的概念不是几千片，是每个月10万片以上交付客户，连续6个月交付客户10万片以上，才算完成项目。全球硅晶园片于2015年的供应商排名，日本信越半导体第一位，占比27%，日本胜高科技（SUMCO）占比26%居第二，环球晶园占比7%，Siltronic占比13%，LG占比9%，SunEdison占比10%，及其它8%。由国家立项的12英寸硅片项目己经启动，叫上海新昇半导体科技有限公司，成立于2014年6月，坐落于临港重装备区内，占地150亩，总投资68亿元，一期总投资23亿元。新昇半导体第一期目标致力于在我国研究、开发适用于40-28nm节点的300mm硅单晶生长、硅片加工、外延片制备、硅片分析检测等硅片产业化成套量产工艺；建设300毫米半导体硅片的生产基地，实现300毫米半导体硅片的国产化，充分满足我国极大规模集成电路产业对硅衬底基础材料的迫切要求。新昇半导体一期投入后，预计月产能为15万片12英寸和5万片8英寸硅片，最终将形成300mm硅片60万片/月的产能，年产值达到60亿元。新昇将与世界一流技术接轨，达到世界先进水平。全球硅片出货量与销售额;2007时为8，661MSI，销售额达121亿美元，到2010年时为9，04MSI，销售额为97亿美元，以及2015年的10，43MSI，销售额为72亿美元，反映全球的硅片出货量增长缓慢，而它的销售额逐年在下降。450毫米硅片为了加速发展450mm(18英寸)晶园，全球五大半导体业者IBM、英特尔、三星电子、台积电和GlobalFoundries在2011年共同成立全球450mm联盟，简称G450，并于美国纽约州Albany设立450mm晶园技术研发中心。450mm联盟成立后，18寸晶园世代的技术和机台设备有不少方针已开始确立，是半导体产业迈入18寸晶园世代的重要里程碑，目的是推动 450 mm 硅片技术的发展。 实际上在2012年期间，除了G450C 联盟之外、全球尚有EEMI450 联盟 ( 欧洲 ) 和 Metro450 联盟 ( 以 色列 ) ，共计三个联盟来推动450毫米硅片的进展，目标是可互用研究结果，减少重复性的实验。除此之外，半导体制造技术战略联盟 (SEMATECH) 和国际半导体设备与材料协 会 (SEMI) 等也在推动全球产业链的合作研发，因为硅片直径的增大将牵动整个产业链很大的改变。然而，450毫米硅片的进程自开始就有不同的看法，其中最为关键是半导体设备供应商，包括如应用材料公司等缺乏积极性，理由是450毫米设备不是简单地把腔体的直径放大，而是要从根本上对于设备进行重新设计，因此面临着经费与人力等问题，更多的担心是未来的市场，能否有足够的投资回报率。所以关于450毫米硅片的声浪是时起彼伏，尽管英特尔，三星及台积电等大厂信心满满，实际上是雷声大雨点小。自2014 年开始G450C 联盟出现暂缓研发 450 mm 硅片的迹象；。尽管如TSMC等曾 宣布 将于2018 -2019年期间会采用450毫米硅片。然而依目前半导体业的态势观察，现在还很难取得实质性的进展。采用450毫米硅片，如同前几次硅片增大直径一样，关键在于从经济上要有它的利益点，包括芯片制造商及设备供应商在内，另一个是产业发展需要扩大产能的迫切性，所以等待未来市场的再次高潮到来。不管如何，450毫米硅片对于全球半导体业仍是一个悬而未决的课题。

來源；SEMI，2016，2，数据仅为半导体，太阳能硅片未计入注；2014 年为10，09 MSI及销售额76亿美元，以及2015年为10，43MSI及销售额为72亿美元。

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