芯片行业分析(三):制造三大工艺,硅片五大巨头!
来源微信公众号：史晨星
28. 市场：五千亿，国内缺口 500 亿
设计完成后，下一步就是制造，制造常被称为晶圆代工，是指经过一系列标准的半导体加工工艺，将设计得到的版图结构转移到裸露的晶圆上，以形成附加值较高的半导体芯片根据 IC insights，2018 年全球晶圆代工行业市场规模 710 亿美金
手机相关占一半
28nm 以下占一半
国内晶圆代工厂高端工艺产能不足，2017 年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达 481 亿元
芯片制造是人类历史上最复杂的工艺，加工精度为头发丝的几千分之一，需要上千个步骤才能完成，其难度，堪比两弹一星依产品种类不同，产品所需的加工道次约 400 至 600 道，加工时间 2-3 个月，可分为晶圆、芯片、封测三大部分，下面一一介绍
盖房要有地基，如果将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式芯片），便需要一个平稳的基板，对芯片制造来说，这个基板就是衬底，也叫晶圆，是制造半导体器件的“地基”，通过在衬底上实施一系列的工艺流程，就可以得到相应的半导体产品回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件，在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求
衬底可以选择多种材料，其中最广泛使用的是硅，其它化合物材料请持续关注本公众号史晨星（shichenxing1）硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：提纯、单晶硅生长、硅片成型
硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9) ，半导体硅片的制造难度远远大于光伏硅片
提纯分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅第二步是三氯氢硅法（西门子法Siemens process），通过加热含碳的硅石来生成气态的二氧化硅（SiO2）再用纯度约98%的二氧化硅，通过压碎和化学反应生产含硅的三氯氢硅气体（SiHCl3）最后用改良西门子法，将三氯氢硅经过再一次的化学过程，用氢气还原制备出纯度为99.999999999%的半导体级硅
生长
这种硅原子纯度够了，但排列混乱，会影响电子运动，只能叫多晶硅长晶技术路线主要分为直拉法（CZ），区熔法（FZ）。其中直拉法是目前市场的主流，可支持 12 寸硅片生产，而区熔法则相对简单，仅可支持 8 寸及以下尺寸硅片生产
将多晶硅融化，形成液态的硅，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了
成型
硅晶棒再经过切段、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻后，成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片
伴随着半导体行业的发展，硅片的尺寸也逐步提升。每次硅片直径的提升，都会使得单片晶圆产出的芯片数量呈几何倍数增长，从而在生产过程中提供显著的规模经济效益
晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化，目前 300mm 硅片已成为业内主流，2017 年全球 12 寸出货面积约占硅片总体的 66.1%
12 寸硅片的下一站是 18 寸（450mm）硅片，但由于 12 寸硅片可以满足当前的生产需求，且 18 寸硅片设备研发难度极大，由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到 2020 年左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产全球前五家供应商日本信越化学、日本三菱住友 SUMCO、台湾环球晶圆、德国世创电子 Siltronic AG 和韩国 SK Siltron Inc.，占据半导体硅片市场 90% 以上份额
信越化学能够制造出具有 11 个 9（99．999999999％）的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅，表面的平坦度 1 微米以下
台湾环球晶圆
德国世创电子 Siltronic
2014 年 1 月，在新加坡运行了全球最大的 200mm 和 300mm 硅片厂，产能分别为 23 万片/月和 32.5 万片/月
我国 8 英寸硅片已经开始进入放量阶段，12 英寸产能不足，质量也有待提升
上海硅产业集团
上海硅产业集团旗下上海新昇、新傲科技、Okmetic 三家控股子公司，其中新傲科技、Okmetic 主要负责 200nm 及以下抛光片、外延片及 SOI 硅片, 上海新昇主要负责 300nm 抛光片及外延片，2019 年 11 月科创板过会，成为国内首家
上海新昇是目前唯一获得国家重大项目支持的硅片公司，承担了国家 02 专项核心工程之一的“40-28 纳米集成电路制造用 300 毫米硅片”项目，2016年10月成功拉出第一根12英寸单晶硅锭，2018年实现了12英寸硅片的规模化生产
硅片切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？用原子操纵术？想多了，朋友！等你练成御剑飞行的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件，那究竟怎么做呢，先看个视频，再听下回分解 风险提示：本资料仅作参考，不构成本公司任何业务的宣传推介材料、投资建议或保证，不作为任何法律文件。基金管理人承诺以诚实信用、勤勉尽职的原则管理和运用基金资产，但不保证基金一定盈利，也不保证最低收益。投资人购买基金时应详细阅读基金的基金合同和招募说明书等法律文件，了解基金的具体情况。基金管理人管理的其他基金的业绩和其投资人员取得的过往业绩并不预示其未来表现，也不构成本基金业绩表现的保证。基金投资需谨慎。
