晶圓是指制作硅半導(dǎo)體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經(jīng)過(guò)研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。國(guó)內(nèi)晶圓生產(chǎn)線以 8英寸和 12 英寸為主。 晶圓的主要加工方式為片加工和批加工，即同時(shí)加工1 片或多片晶圓。隨著半導(dǎo)體特征尺寸越來(lái)越小，加工及測(cè)量設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，使得晶圓加工出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。同時(shí)，特征尺寸的減小，使得晶圓加工時(shí)，空氣中的顆粒數(shù)對(duì)晶圓加工后質(zhì)量及可靠性的影響增大，而隨著潔凈的提高，顆粒數(shù)也出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

晶片是用來(lái)干嘛的?為什么日常生活中會(huì)用到晶片呢?晶片這么重要嗎?晶圓又是什么呢?在過(guò)去，需要將電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件焊接成電路，并將這個(gè)能執(zhí)行簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算的電路裝置在電子產(chǎn)品上，才能夠讓電子產(chǎn)品順利運(yùn)作，然而手工焊接不僅成本高且耗時(shí)，效果也不理想。后來(lái)德州儀器的工程師–杰克·基爾比，便想到如果能夠事先設(shè)計(jì)好電路圖，然后照電路圖將所有電子元件整合在矽晶元上，便能解決手工焊接的難題，而這就是全世界第一個(gè)“集成電路”也就是我們常聽(tīng)到的IC(IntegratedCircuit)的由來(lái)。

集成電路發(fā)明后，技術(shù)也開(kāi)始高速發(fā)展，一個(gè)晶片從原本僅能塞不到五個(gè)電晶體，到后來(lái)可以塞下數(shù)億個(gè)電晶體。而電晶體縮得越小，除了更低的能耗、延遲以及更高的效能外，也讓晶片隨之縮小，電子產(chǎn)品也能越來(lái)越小。如今這些優(yōu)點(diǎn)正反應(yīng)在電子產(chǎn)品上，讓生活越來(lái)越方便。

晶圓代工是什么?

晶圓代工(Foundry)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一種商業(yè)模式，指接受其他無(wú)廠半導(dǎo)體公司(Fabless)委托、專(zhuān)門(mén)從事晶圓成品的加工而制造集成電路，并不自行從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與后端銷(xiāo)售。

據(jù)中國(guó)臺(tái)灣媒體報(bào)道，受半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)下行影響，近期晶圓代工成熟制程再掀降價(jià)潮。有芯片設(shè)計(jì)業(yè)者透露，明年首季晶圓代工成熟制程價(jià)格降幅最高超10%，是此輪晶圓代工報(bào)價(jià)修正以來(lái)的最大幅度，不僅愿意降價(jià)的廠商增加，更一改先前僅特殊節(jié)點(diǎn)價(jià)格松動(dòng)態(tài)勢(shì)，有朝全面性降價(jià)發(fā)展的狀況。

新的結(jié)構(gòu)旨在讓英特爾的芯片代工業(yè)務(wù)像其他第三方圓晶代工廠一樣運(yùn)作，在平等的基礎(chǔ)上接受英特爾內(nèi)部和外部芯片公司的訂單。

目前全球芯片制造產(chǎn)業(yè)中，以8寸、12寸這兩種規(guī)模為主，至于那些6寸、4寸晶圓，因?yàn)槔寐侍?，慢慢的在淘汰了?

其中12寸主要用于14nm及以下的先進(jìn)芯片，而8寸則主要用于28nm及以上工藝的成熟芯片。

按照之前的預(yù)計(jì)，8寸晶圓慢慢的要給12寸晶圓讓步，一是因?yàn)?2寸的晶圓利用率更高，可以降低成本，另外一方面則是芯片向先進(jìn)工藝慢慢前進(jìn)，所以8寸晶圓會(huì)慢慢減少。

但讓人沒(méi)有想到的是，2020年底開(kāi)始的缺芯大潮，是從成熟工藝開(kāi)始的，于是各大晶圓企業(yè)們，不斷的擴(kuò)產(chǎn)8寸晶圓的產(chǎn)能，滿足成熟工藝的需求。

按照國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)的數(shù)據(jù)，2020年初至2024年底全球?qū)⒃黾?5條新的8吋晶圓生產(chǎn)線，用來(lái)滿足模擬IC、電源管理IC、顯示驅(qū)動(dòng)IC、功率元件MOSFET、微控制器(MCU)與感測(cè)器等產(chǎn)品的需求。

而到2024年時(shí)，全球8吋晶圓廠月產(chǎn)能將達(dá)690萬(wàn)片規(guī)模，增加21%，創(chuàng)歷史新高。

而在2022年，全球有5個(gè)8英寸及以下晶圓廠在建設(shè)，而8寸晶圓的產(chǎn)能在2022年會(huì)增長(zhǎng)5%，2023年增長(zhǎng)3%，2024年增長(zhǎng)2%。

晶圓是制造芯片的基本材料，半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅，因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓。硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。

硅的提純是第一道工序，需將沙石原料放入一個(gè)溫度超過(guò)兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中，在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)得到冶金級(jí)硅，然后將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅。

晶圓企業(yè)常用的是直拉法，如上圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的空氣通常是惰性氣體，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。

為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向，坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn)，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。用直拉法生長(zhǎng)后，單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，這時(shí)候晶圓片就制造完成了。

晶圓制造廠把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成。

晶圓加工屬于晶圓制造領(lǐng)域，按照廠商類(lèi)型可分為IDM和Foundry模式，IDM屬于重資產(chǎn)模式，為IC設(shè)計(jì)—IC制造—IC封測(cè)一體化垂直整合，主要企業(yè)為三星等，F(xiàn)oundry模式廠商相較IDM僅具備IC制造和封測(cè)能力，剝離了設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)。就作用而言，晶圓專(zhuān)業(yè)代工廠商降低了IC產(chǎn)業(yè)的進(jìn)入門(mén)檻，激發(fā)了上游IC設(shè)計(jì)廠商的爆發(fā)，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的創(chuàng)新，繼而加速了IC產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用周期，拓展了下游IC產(chǎn)品應(yīng)用。

對(duì)單晶裸片進(jìn)行初步加工得到晶圓，接下來(lái)將光罩上的電路圖刻蝕到晶圓上，主要工序皆由晶圓代工廠完成。主要包括擴(kuò)散、薄膜生長(zhǎng)、光刻、刻蝕、離子注入、拋光等工序，對(duì)應(yīng)設(shè)備主要有擴(kuò)散爐、氧化爐、CVD/PVD設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機(jī)、刻蝕系統(tǒng)、離子注入機(jī)、拋光機(jī)等。作為半導(dǎo)體生產(chǎn)流程的直接生產(chǎn)，晶圓加工步驟眾多，設(shè)備要求極高，雖然國(guó)內(nèi)具備完整生產(chǎn)能力，受限于高端設(shè)備和技術(shù)封鎖，高端產(chǎn)品仍未突破，其中光刻、離子注入和拋光(拋光墊)等工藝設(shè)備國(guó)內(nèi)尚未突破。

半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)模式分為IDM和Fabless +Foundry，IDM集IC設(shè)計(jì)、制造與封裝測(cè)試為一體,屬于重資產(chǎn)模式，對(duì)于企業(yè)的資金要求極高，F(xiàn)abless +Foundry模式將晶圓制造生產(chǎn)部分委任給Foundry可降低Fabless設(shè)計(jì)的準(zhǔn)入門(mén)檻，降低資金投入，有助于企業(yè)技術(shù)快速突破。

晶圓生產(chǎn)成本投資額中，晶圓設(shè)備通常占比總晶圓項(xiàng)目投資額8成左右，以國(guó)內(nèi)最大的代工廠中芯國(guó)際為例，其12英寸芯片SN1項(xiàng)目的總投資額中生產(chǎn)設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)占比80.9%。從臺(tái)積電單片晶圓成本來(lái)看，主要成本是折舊費(fèi)用，占比近5成，除此之外專(zhuān)利費(fèi)用也是較大成本占比。總體來(lái)看，晶圓生產(chǎn)中設(shè)備及技術(shù)專(zhuān)利等占據(jù)主要成本。

全球半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)高景氣，中國(guó)已成為全球最大的半導(dǎo)體市場(chǎng)，A股相關(guān)的半導(dǎo)體上市公司2022年一季報(bào)以報(bào)喜為主，這個(gè)行業(yè)，國(guó)產(chǎn)替代才起步，適合今后N多年跟蹤，因此，有必要著手研究研究和跟進(jìn)了解，為今后投資搞清華來(lái)龍去脈。

今天做一下半導(dǎo)體材料--晶圓制造材料的筆記：

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，半導(dǎo)體材料位于產(chǎn)業(yè)上游，是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)，通?？煞譃榫A制造材料和封裝材料。由于封裝材料細(xì)分領(lǐng)域眾多，且影響力相對(duì)有限，今天文章不作摘記。

晶圓制造材料，主要包括硅片、光刻膠及配套試劑、掩膜版、電子特氣、濕電子化學(xué)品、濺射靶材、CMP研磨墊及研磨液等，其中以硅片市場(chǎng)占比最大。

硅，是最主要的元素半導(dǎo)體材料，包括單晶硅、多晶硅、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜、微晶硅薄膜等，可直接或間接用于制備半導(dǎo)體器件。目前硅片主要尺寸為6英寸(150mm)及以下，8英寸(200mm)及12英寸(300mm)硅片，12英寸硅片性?xún)r(jià)比更優(yōu)。

滬硅產(chǎn)業(yè)，主營(yíng)8、12英寸半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)28nm以上所有節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品認(rèn)證以及64層3D NAND產(chǎn)品驗(yàn)證。最新動(dòng)態(tài)是上海新昇擬15.5億元設(shè)合資公司，投建300mm半導(dǎo)體硅片擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目。

立昂微，國(guó)內(nèi)第二大半導(dǎo)體硅片供應(yīng)商，6/8英寸硅片產(chǎn)線近年早已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模出貨，12英寸硅片于2021年底達(dá)到15萬(wàn)片/月的產(chǎn)能規(guī)模，產(chǎn)品最高可滿足14nm工藝要求。

中環(huán)股份，目前8、12英寸硅片均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)到70萬(wàn)片/月、15萬(wàn)片/月。

光刻膠，又稱(chēng)光致抗蝕劑，是一種對(duì)光敏感的混合液體。光刻膠可以通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)曝光、顯影等光刻工序?qū)⑺栉⒓?xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上。光刻膠的技術(shù)壁壘最高，目前國(guó)產(chǎn)化率很低，與國(guó)外技術(shù)差距很大。