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作者：豐寧
硅片作為芯片制造最重要的基礎(chǔ)原材料，伴隨半導(dǎo)體各種應(yīng)用需求的衍生，硅片市場(chǎng)出貨量與需求量均不斷遞增。
集成電路使用大尺寸硅片帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益明顯，比如12 英寸硅片的面積是 8 英寸的 2.25 倍，可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右，單片可產(chǎn)出的芯片數(shù)量增加，單個(gè)芯片的成本隨之降低。在當(dāng)下行業(yè)對(duì)產(chǎn)能要求大量增加的情況下，12英寸硅片的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。
01、12英寸硅片已成熱潮
12英寸硅片現(xiàn)已成為所有先進(jìn)半導(dǎo)體制造廠不可或缺的關(guān)鍵材料。從下游應(yīng)用來(lái)看，12英寸硅片的需求主要來(lái)源于存儲(chǔ)芯片、邏輯芯片等應(yīng)用，終端應(yīng)用領(lǐng)域主要為智能手機(jī)、PC/平板、服務(wù)器、電視/游戲機(jī)等，分別占比32%、20%、18%和10%，服務(wù)器、工業(yè)、汽車、通信應(yīng)用占比較小，分別占6%、5%、5%及4%左右。
隨著格芯（GlobalFoundries)、英特爾（Intel)、三星（Samsung)、德州儀器（Texas Instruments）和臺(tái)積電（TSMC) 等國(guó)際大廠紛紛宣布擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，硅片需求量不斷增大。中國(guó)大陸 12 英寸硅片廠也進(jìn)入資本開(kāi)支高峰期，國(guó)內(nèi)的中芯國(guó)際、華虹集團(tuán)等廠商陸續(xù)進(jìn)入加速擴(kuò)產(chǎn)期，產(chǎn)能快速增長(zhǎng)。根據(jù)SUMCO發(fā)布的全球12英寸硅片需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，到2025年全球12英寸硅片需求將達(dá)到910萬(wàn)片/月。
然而中國(guó)最常用的12英寸硅片產(chǎn)品主要依賴于進(jìn)口，能夠批量生產(chǎn)大尺寸半導(dǎo)體硅片的企業(yè)數(shù)量相對(duì)較少。目前，中國(guó)具備12英寸半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)能力的廠商有立昂微、滬硅產(chǎn)業(yè)、環(huán)球晶圓、中環(huán)股份、有研半導(dǎo)體、上海新昇等。隨著 12 英寸大硅片需求持續(xù)拉升，國(guó)產(chǎn)硅片廠商也進(jìn)入了“大硅片擴(kuò)產(chǎn)潮”。
02、月產(chǎn)百萬(wàn)片，產(chǎn)能大爆發(fā)
根據(jù)滬硅產(chǎn)業(yè)2021年年度報(bào)告顯示，其募投項(xiàng)目“集成電路制造用300mm高端硅片研發(fā)與先進(jìn)制造項(xiàng)目”以子公司上海新昇為實(shí)施主體，已完成30萬(wàn)片/月的安裝建設(shè)，并啟動(dòng)新增30萬(wàn)片/月的擴(kuò)產(chǎn)建設(shè)，項(xiàng)目工期42個(gè)月，預(yù)計(jì)到2025年12英寸產(chǎn)能到達(dá)60萬(wàn)片/月。
根據(jù)中環(huán)股份年報(bào)，截至2021年底，12英寸半導(dǎo)體硅片產(chǎn)能為17萬(wàn)片/月，至2022年底預(yù)計(jì)產(chǎn)能約30萬(wàn)-35萬(wàn)片/月。中環(huán)股份表示，將通過(guò)啟動(dòng)天津新工廠的建設(shè)、加速江蘇宜興二期項(xiàng)目的實(shí)施，快速擴(kuò)充產(chǎn)能，并有可能較原計(jì)劃（2023年底）提前實(shí)現(xiàn)6英寸及以下110萬(wàn)片/月，8英寸100萬(wàn)片/月，12英寸60萬(wàn)片/月的產(chǎn)能目標(biāo)。
立昂微2022年半年度報(bào)告顯示，其12英寸硅片規(guī)模上量明顯。今年3月，立昂微斥資15億元收購(gòu)了國(guó)晶半導(dǎo)體58.69%股權(quán)，以加強(qiáng)存儲(chǔ)、邏輯芯片用輕摻12英寸硅片的市場(chǎng)地位，之后將其更名為金瑞泓微電子（嘉興）有限公司。
目前立昂微12英寸硅片運(yùn)營(yíng)主體包括子公司金瑞泓微電子（衢州）有限公司和金瑞泓微電子（嘉興）有限公司，其衢州基地12英寸硅片在2021年底已達(dá)到月產(chǎn)15萬(wàn)片的產(chǎn)能規(guī)模，在建月產(chǎn)10萬(wàn)片的產(chǎn)能。嘉興金瑞泓12英寸項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)能40萬(wàn)片/月，目前全部廠房已經(jīng)建成，生產(chǎn)集成電路用12英寸硅片全自動(dòng)化生產(chǎn)線已貫通，設(shè)備正在陸續(xù)到位，預(yù)計(jì)2023年底形成第一期15萬(wàn)片/月的產(chǎn)能。
2020年鑫晶半導(dǎo)體一階段10萬(wàn)片/月產(chǎn)能已正式投產(chǎn)，預(yù)計(jì)2022年底產(chǎn)能擴(kuò)充到30萬(wàn)片/月。鑫晶大硅片項(xiàng)目一期投資68億元，建設(shè)12英寸半導(dǎo)體大硅片長(zhǎng)晶及切磨拋生產(chǎn)線，年規(guī)劃產(chǎn)能360萬(wàn)片。
今年6月，西安奕斯偉硅產(chǎn)業(yè)基地?cái)U(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目于西安市高新區(qū)開(kāi)工，奕斯偉硅產(chǎn)業(yè)基地目前擁有一座50萬(wàn)片/月產(chǎn)能的12英寸硅片工廠，已于2020年7月投產(chǎn)。二期項(xiàng)目計(jì)劃新建一條12英寸硅片生產(chǎn)線，規(guī)劃產(chǎn)能50萬(wàn)片/月，建設(shè)年限為2022年-2026年，滿產(chǎn)后總產(chǎn)能將達(dá)100萬(wàn)片/月，出貨量有望躋身世界前六。
去年12月，杭州中欣晶圓半導(dǎo)體股份有限公司半導(dǎo)體12英寸大硅片二期擴(kuò)建項(xiàng)目竣工，項(xiàng)目從2021年3月份開(kāi)始籌劃，到12月20日竣工，建設(shè)時(shí)間共計(jì)歷時(shí)9個(gè)月左右，助力中欣晶圓12英寸硅片產(chǎn)能在2022年底增加至每月20萬(wàn)片。
今年年中，合晶也在其股東會(huì)上表示，積極切入12英寸硅片，在龍?zhí)稄S建置3萬(wàn)片產(chǎn)能，強(qiáng)化N 型低阻重?fù)焦杵夹g(shù)，并開(kāi)發(fā)邏輯元件用P 型半導(dǎo)體所需輕摻硅片。此外，合晶科技還將啟動(dòng)大陸鄭州廠擴(kuò)產(chǎn)，其鄭州廠原本12英寸月產(chǎn)能約1萬(wàn)片，預(yù)計(jì)最快今年下半年可逐步增為2萬(wàn)片。兩部分產(chǎn)能合計(jì)，預(yù)計(jì)2023 年底，12 英寸產(chǎn)能可達(dá)月產(chǎn)能5 萬(wàn)片規(guī)模。
03、上量同時(shí)，仍需解決哪些難題
提高良率
在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體芯片的制程已經(jīng)從較為成熟的制程 90nm、65nm、45nm逐漸發(fā)展至當(dāng)前7nm、5nm、3nm。隨著制程的不斷縮小，芯片制造工藝對(duì)硅片缺陷密度與缺陷尺寸的容忍度不斷降低。在先進(jìn)制程工藝下，大硅片的表面微粗糙度、硅單晶缺陷、金屬雜質(zhì)、晶體原生缺陷、表面顆粒尺寸和數(shù)量等技術(shù)指標(biāo)要求也更加高，這些參數(shù)將直接影響硅片的成品率和性能。
早在2012至2013年科技部的02專項(xiàng)中，就有大硅片方面項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)準(zhǔn)備，但遲遲不能立項(xiàng)，原因就是雖然有國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)曾經(jīng)做過(guò)12英寸大硅片，研發(fā)成功，但由于良率不高還不能量產(chǎn)。直到現(xiàn)在，12英寸大硅片的良率也是困擾硅片企業(yè)的一大難題。滬硅產(chǎn)業(yè)曾表示其2018-2021 年產(chǎn)能與達(dá)產(chǎn)率較低造成高單位成本，12英寸硅片毛利率持續(xù)為負(fù)，如今12英寸大硅片的正片率正在不斷爬升。就目前來(lái)看，“良率不高”依舊是阻礙12英寸硅片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的最大障礙。
降低成本
制作大硅片是為了降低生產(chǎn)成本，但更大的硅片往往無(wú)法帶來(lái)更高的生產(chǎn)效率，反而可能增加設(shè)備成本與時(shí)間成本。
因?yàn)?英寸產(chǎn)線建廠時(shí)間較早，產(chǎn)線基本已折舊完畢，且技術(shù)較為成熟，在部分制程要求不高的芯片上成本較低，但12英寸對(duì)代工企業(yè)廠房潔凈室及設(shè)備的設(shè)計(jì)精密度要求都較高，需要購(gòu)買昂貴先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，亦需要根據(jù)客戶需求不斷進(jìn)行修改或調(diào)試，前期固定資產(chǎn)投入量大。
甚至部分廠商仍然采用老產(chǎn)能生產(chǎn)大硅片，這就會(huì)使大硅片生產(chǎn)具有一定的難度，比如單晶爐副室如果尺寸不夠大，裝不了大直徑的單晶硅棒，很多切片機(jī)也切不了大尺寸的硅片；而且熱場(chǎng)直徑太小，拉大尺寸單晶硅棒成本也將更高。因此降低設(shè)備和研發(fā)成本是激勵(lì)更多廠商投入12英寸硅片生產(chǎn)的一項(xiàng)重要原因。
加速進(jìn)入批量供貨
芯片制造企業(yè)對(duì)于引入新供應(yīng)商態(tài)度謹(jǐn)慎，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的認(rèn)證周期。通常芯片制造企業(yè)會(huì)要求硅片供應(yīng)商先提供一些硅片供其試生產(chǎn)，待通過(guò)內(nèi)部認(rèn)證后，芯片制造企業(yè)會(huì)將產(chǎn)品送至下游客戶處，獲得其客戶認(rèn)可后，才會(huì)對(duì)硅片供應(yīng)商進(jìn)行認(rèn)證，最終正式簽訂采購(gòu)合同。新進(jìn)半導(dǎo)體硅片廠商要成為客戶主要供應(yīng)商一般需要5年以上的認(rèn)證過(guò)程：2年左右的產(chǎn)品流片評(píng)估——1年左右的陪片和測(cè)試片穩(wěn)定供應(yīng)——低價(jià)格低數(shù)量訂單正片供應(yīng)1 年——正常價(jià)格訂單的 B 類和 C 類供應(yīng)商——主要供應(yīng)商。加速通過(guò)芯片制造企業(yè)的認(rèn)證也是加快硅片制造廠商獲得收益的路徑。
04、結(jié)語(yǔ)
張汝京曾說(shuō)，“從整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)鏈看，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在設(shè)計(jì)、封測(cè)環(huán)節(jié)已做得不錯(cuò)，整機(jī)環(huán)節(jié)則做到了全世界最強(qiáng)；而現(xiàn)在，設(shè)備制造方面也有了很大進(jìn)步，只是集成電路等級(jí)的硅片產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)還很薄弱，12英寸芯片級(jí)硅棒和襯底制造是目前國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體價(jià)值鏈上缺失的一環(huán)?！?/p>
12 英寸硅片如今已經(jīng)成為先進(jìn)制程的主流方案。雖然中國(guó)12英寸半導(dǎo)體硅片發(fā)展較晚，但目前部分項(xiàng)目已取得階段性成果，現(xiàn)在正處于國(guó)產(chǎn)大硅片自給之路的開(kāi)端，后期任重而道遠(yuǎn)，中國(guó)的硅片產(chǎn)業(yè)仍在不斷努力、堅(jiān)持和投入。
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