在半导体工业链中,硅片作为芯片制作的重要中心主材,在芯片制作中起到要害性的效果。硅片的质量、尺度、本钱等直接影响着芯片的功能和竞争力。
处在我国经济转型周期与全球技能创新周期两层叠加的前史交汇点上,我国半导体硅片商场成为全球增速最快的商场。依据SEMI(世界半导体工业协会)计算,2021年我国半导体硅片销售额到达16.56亿美元,2016-2021年CAGR到达27.08%,远超同期全球半导体硅片增速。
在此布景下,工业和信息化部、科学技能部等部分近年来连续出台发布了半导体硅片研制与工业化等系列方针,将半导体硅片工业归入集成电路全体工业规划布局中,极大地鼓动了相关企业加快开展。而以沪硅工业(688126.SH)、上海超硅、奕斯伟等为代表的半导体硅片企业,在12英寸硅片要害技能研制中取得了长足进步,加快了国产化浸透率提高。
众所周知,芯片是信息年代、人工智能年代的“钢筋水泥”,而半导体硅片则是芯片制作的柱石,也是半导体工业链的上游环节。
半导体硅片是指由硅单晶锭切开而成的薄片,又称硅晶圆片,是芯片制作的中心主材之一。得益于其熔点高,禁带宽度大的优异物理功能和丰厚的存储量,硅基半导体材料是现在产值最大、运用最广的半导体材料。依据SEMI数据,全球半导体材料商场规模在2021年到达643亿美元,同比添加15.9%。其间,硅片约占全体半导体材料商场比重的33%,是半导体材料的中心。
回忆硅片的开展前史,从1965年初次出产2英寸硅片到2000年12英寸硅片完成量产,半导体硅片在“摩尔定律”的驱动下向大尺度方向不断开展。依据SEMI计算,2020年12英寸硅片占比约67.2%,8英寸硅片占比25.5%,6英寸及以下占比7.3%。硅片尺度越大,单位面积产出的芯片数量也会随之添加,因而12英寸硅片的性价比更优。但与此一起,出产更大直径硅片所需求的出产工艺改善本钱、设备功能提高,也给厂商带来更大的应战。
从硅片质量要求来看,光伏职业对硅片纯度的需求为99.9999%。而用于集成电路制作和半导体器材加工的电子级硅片对纯度则有着更高的要求,纯度需到达99.999999999%,对杂质的容许率相当于一颗方糖投入西湖。一起,半导体硅片还对硅片的平整度、润滑度有更高要求。12英寸硅片的平整度有必要控制在1nm,相当于上海到北京,路面崎岖不能超过30厘米。
从硅片的制作流程来看,硅片尤其是大尺度硅片的制作需求精细的机器设备、老练的工艺流程,以及优异的技能人才等全方面合作。现在,硅棒的制作遍及选用直拉法成长工艺,行将多晶硅熔化在长晶炉坩埚中,再从熔融硅中拉晶制成硅棒。想要制作12英寸的硅棒,需求一口直径到达32英寸的坩埚,而且要求坩埚高度纯洁。打造这样一口纯洁的坩埚就具有极高的门槛。一起,制作的硅棒越粗,对锅里熔融硅的需求也更多,这对拉晶过程中的温度、提拉速度、旋转速度和提拉时刻都提出了更高的要求。此外,制作过程中还需求处理随之而来的熔融硅对流、温度梯度等物理问题。
正因如此,半导体硅片的提纯和加工技能门槛极高带来研制周期长、资金投入大等特色,使得全球的半导体硅片商场构成高度独占。据SEMI计算,2020年全球前五大硅片制作商为日本信越、SUMCO、举世晶圆、SK Siltron和世创,他们一起占有着全球半导体硅片商场87%的比例。
与世界首要半导体硅片供货商比较,我国大陆半导体硅片企业起步较晚,在要害设备和硅单晶拉制、抛光、外延等中心技能上较为单薄,可以出产12英寸及以上硅片的企业数量不多,且良率有很大提高空间。
不过,近年来在国家方针支撑和商场需求驱动下,国内涌现出多家半导体硅片厂商,包括沪硅工业、上海超硅等半导体硅片龙头企业,其凭仗自身在技能工艺、产品结构等优势,打破了我国在12英寸硅片技能上从“0到1”的打破,并与全球闻名芯片厂商树立了安稳的合作关系,正在打破半导体硅片范畴的海外独占。
在硅片工业链中,上游为原材料硅矿,中游为硅片制作商,下流是芯片制作商。硅片要经过下流芯片制作商的认证,才干产生订单买卖。下流的芯片制作企业对硅片供货商的产品质量有着苛刻的要求,对供货商的挑选高度谨慎。因而,硅片出产企业与芯片制作企业树立正式合作关系前,除了需求经过业界质量管理体系认证外,还需阅历长时刻的客户“调查认证”。
以上海超硅为例,据了解,其现在客户包括台积电、联电、格罗方德、华虹集团等世界闻名晶圆代工企业,韩国海力士、日本铠侠、美国镁光等世界存储芯片龙头企业,荷兰恩智浦、德国英飞凌、美国德州仪器、日本索尼等世界半导体IDM龙头企业。在全球排名前20的集成电路制作商中,已有18家成为上海超硅的正式客户。
材料显现,2008年,上海超硅在上海松江创建。在15年的开展进程中,上海超硅先后完成了晶体设备规划和制作、晶体成长工艺、硅片出产工艺等中心技能的自主研制;建造并运营其时全球最先进的8英寸轻掺抛光片厂,一起建成并运营12英寸中试线英寸硅片的技能堆集与商场验证。在技能、人才、商场的厚实堆集下,上海超硅的上海工厂12英寸硅片项目最总算2020年9月顺畅建成通线,并取得了国内外闻名客户喜爱。据报道,上海超硅12英寸产线悉数投产后,估计将占世界大尺度硅片总用量的5%-10%。
值得一提的是,在技能堆集中,上海超硅完成了要害制作配备的自主可控。上海超硅所出产的8英寸、12英寸产品均运用自主研制、规划、制作的长晶炉,也是全球第三家完成自主把握该项技能的12英寸硅片企业。
据业界人士介绍,长晶炉是制作硅片的中心设备,可以说是硅片中的“光刻机”。世界干流硅片厂商的长晶炉大多为公司独立规划制作或许经过控股子公司规划制作,其他硅片厂商无法购买。其他首要的硅片厂商都有自己的独立单晶炉供货商,而且签定严厉的保密协议,导致外界硅片厂商无法购买,或许只能购买到一般单晶炉。所以,设备壁垒也是国内厂商现在难以进入全球硅片干流供货商的重要原因之一。
除上海超硅之外,沪硅工业、奕斯伟等国内硅片企业也正在迎头赶上,推进国产硅片工业开展。材料显现,沪硅工业的12英寸硅片已完成14nm及以上工艺节点的技能全掩盖和国内商场12英寸客户全掩盖,半导体硅片产品已进入国内外各大晶圆厂供应链,其客户包括华虹宏力、华力微电子、长江存储等国内客户、以及台积电、联电、格罗方德、意法半导体等世界芯片制作厂商。
跟着AI新浪潮、5G手机等消费电子以及数字化的扩展运用,全球半导体职业有望坚持高景气量,而越来越多国产硅片厂商取得认可,也是我国集成电路工业夯实“芯”基建的重要一步。
