未來月需100萬片 國內300mm大矽片產能瓶頸急需突破

矽片是生產集成電路的主要原材料。

矽片尺寸越大則每片矽片上可以製造的晶片數量就越多，從而製造成本就越低。

矽片尺寸的擴大和晶片線寬的減小是集成電路行業技術進步的兩條主線。

目前12寸矽片的出貨量占比超過60%，是目前主流的矽片尺寸。

半導體矽片通常由高純度的多晶矽錠釆用提拉法（CZ Method）為主拉成不同電阻率的矽單晶錠，然後經過晶體定向→外圓滾磨→加工主、副參考面→切片→倒角→熱處理→研磨→化學腐蝕→拋光→清洗→檢測→包裝等工序。

根據矽純度的不同要求，可分為太陽能等級99.9999%，6個「9」純度，以及半導體等級11個「9」的純度。

本文只涉及半導體用的矽片。

矽晶圓

在半導體製造業中廣泛使用各種不同尺寸與規格的矽片，通常包括4英寸、5英寸、6英寸、8英寸及12英寸，它們的基本規格如下表所示。

來源：半導體製程技術導論；2001年肖宏P102

由於缺乏統一定義，矽片尺寸的過渡時間無法達成共識，其中有一種觀點認為累積矽片的出貨量超過100萬片時，表示該矽片尺寸進入。

實際上如英特爾等總是領先其它廠商，首先進入更大尺寸的矽片。

按照主流的統計，全球4英寸矽片於1986年、6英寸於1992年、8英寸於1997年及12英寸於2005年分別完成過度。

而如果依英特爾的晶片生產線建設（見intel’s all fab list），它的3英寸生產線於1972年FAB2、4英寸生產線於1973年FAB4、6英寸生產線於1978年FAB5、8英寸生產線於1992年FAB15以及它的第一條12英寸生產線於2002年FAB12 in Hillsboro，與IBM同步，基本都早於市場主流。

業界較為公認的說法，1980年代是4英寸矽片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2002年時英特爾與IBM首先建12英寸生產線，到2005年已占20%，及2008年占30%，而那時8英寸已下降至54%及6英寸下降至11%。

多晶矽的原材料——高純度的石英，目前已知的全世界的儲量，中國最多，品質最好，但是我國之前卻是將石英礦沙在高溫下還原成金屬矽後低價外銷，再高價進口多晶矽，並且石英還原成金屬矽的階段是高度污染的。

好在近些年光伏產業帶動了國內多晶矽產業的發展，目前太陽能等級的多晶矽，我國的產量已經是全球第一。

截止2014年，全球300mm矽片實際出片量已占各種矽片出片量的65%左右,平均約450萬片/月。

2015年第1～第2季度每月平均需求量約500萬片。

現在300mm半導體級的矽片，國內一個月需求量約45-50萬片，而目前國內的產量幾乎為零，這是產業鏈上最為緊缺的一環，預計未來5年內僅300mm矽片中國的月需求量將超過100萬片以上。

而從矽片的市場供應來看，全球日本生產的最多，日本信越和SUMCO這兩家的產能和實際供應量總和占全球2/3以上。

300mm半導體級的大矽片，不僅是產業鏈缺失的重要一環，也是國家安全戰略發展的需要。

國家在2012--2013年科技部02專項中，已有大矽片方面項目的經費準備，但遲遲不能立項，原因就是雖然有國內研發機構曾經做過12寸大矽片，研發成功，但由於良率不高還不能量產。

2014年，科技部02專項的領導下定決心要攻克12英寸矽片難關。

要求是不僅研發成功，更要量產成功。

量產的概念不是幾千片，是每個月10萬片以上交付客戶，連續6個月交付客戶10萬片以上，才算完成項目。

2015年全球矽晶圓片供應商排名，日本信越第一位，占比27%；日本SUMCO占比26%居第二；環球晶圓占比7%；Siltronic占比13%；LG占比9%；SunEdison占比10%；其它占8%。

由國家立項的12英寸矽片項目已經啟動，叫上海新昇半導體科技有限公司，成立於2014年6月，總投資68億元，一期總投資23億元。

新昇半導體第一期目標緻力於在我國研究開發適用於40-28nm節點的300mm矽單晶生長、矽片加工、外延片製備、矽片分析檢測等矽片產業化成套量產工藝；建設300毫米半導體矽片的生產基地，實現300毫米半導體矽片的國產化，充分滿足我國極大規模集成電路產業對矽襯底基礎材料的迫切要求。

新昇半導體一期投入後，預計月產能為15萬片12英寸和5萬片8英寸矽片，最終將形成300mm矽片60萬片/月的產能，年產值達到60億元。

新昇將與世界一流技術接軌，達到世界先進水平。

450毫米矽片

為了加速發展450mm(18英寸)晶圓，全球五大半導體廠商IBM、英特爾、三星電子、台積電和Global Foundries在2011年共同成立全球450mm聯盟，簡稱G450，並於美國紐約州Albany設立450mm晶圓技術研發中心。

450mm聯盟成立後，18寸晶圓世代的技術和機台設備有不少方針已開始確立，是半導體產業邁入18寸晶圓世代的重要里程碑，目的是推動450 mm矽片技術的發展。

實際上在2012年期間，除了G450C聯盟之外、全球尚有EEMI450聯盟(歐洲)和Metro450聯盟(以色列)，共計三個聯盟來推動450毫米矽片的進展，目標是可互用研究結果，減少重複性的實驗。

除此之外，半導體製造技術戰略聯盟(SEMATECH)和國際半導體設備與材料協會(SEMI)等也在推動全球產業鏈的合作研發，因為矽片直徑的增大將牽動整個產業鏈很大的改變。

然而，450毫米矽片的進程自開始就有不同的看法，其中最為關鍵是半導體設備供應商，包括如應用材料公司等缺乏積極性，理由是450毫米設備不是簡單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對於設備進行重新設計，因此面臨著經費與人力等問題，更多的擔心是未來的市場，能否有足夠的投資回報率。

所以，對於450毫米矽片來說，儘管英特爾、三星及台積電等大廠信心滿滿，實際上是雷聲大雨點小。

自2014年開始G450C聯盟出現暫緩研發450 mm矽片的跡象。

儘管如TSMC等曾宣布將於2018-2019年期間會採用450毫米矽片。

然而依目前半導體業的態勢觀察，現在還很難取得實質性的進展。

採用450毫米矽片，如同前幾次矽片增大直徑一樣，關鍵在於從經濟上要有它的利益點，包括晶片製造商及設備供應商在內，另一個是產業發展需要擴大產能的迫切性，所以需要等待未來市場的再次高潮到來。

不管如何，450毫米矽片對於全球半導體業仍是一個懸而未決的課題。

特別聲明：本文為DRAMeXchange特邀作者莫大康先生撰寫並授權發布，文中內容僅代表作者個人觀點，與本平台無關。

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