说个倦飞了的行业：全球半导体用硅晶圆市场
半导体工程师 2024年10月05日 09:02 河北
国庆节七天假，和自己说好休息一下的。可我就是闲不住，还是发一篇吧
目前我自己电脑硬盘里在整理和编辑不少，但都还没有一个最终可以拿出来的版本，所以看了半天，还是先拿个硅晶圆的数据分享一下吧
和以往不同，这次也顺便和大家聊聊自己对于这个领域的一些想法和观点吧
- 硅晶圆行业有一个特点：这种产品是非常缺少差异化的。虽然大硅片在具体技术指标和要求上也是根据客户需求半定制化的，但无非就是平整度、杂质含量、缺陷数等几个硬指标的变化。一旦产品在这几个指标上满足客户要求后，剩下的就只是价格竞争了
- 同时，大硅片又是所有半导体耗材里市场规模最大的 -- 按照SEMI统计，2023年全球市场容量是123亿美金
- 市场规模巨大，但同时又同质化严重，就导致了这个市场竞争极其惨烈。行业里除了第一名的信越相对好一些，其它供应商在多数时间里毛利都不高（20~30%）
- 从表格里的信息看，似乎国产硅片厂商数量上已经占据了绝对优势。但事实上，这个市场90%到95%的市场份额被五大巨头垄断（信越、胜高、环球晶圆、世创、SK Siltron）。中国大陆厂商的市占率还远远不够
- 由于毛利较低，大硅片行业对产能要求极高。达不到一定规模是不可能盈利的。我以前了解到的盈亏平衡的点是月产能15万片。现在估计更高了。不少国产厂商号称产能也不小，但目前很多还只是规划中，而且实现的产能中Dummy片的比例很高。而这些产品是完全不赚钱的
- 前几年，国内曾掀起过一轮硅晶圆厂的建厂热潮。按照宣传里的数据，大陆全部计划产能全部实现并释放的话，应该可以满足全球的硅片消耗量了。当时看得我目瞪口呆。不过，到了目前，真正做事情的公司都已经起来了，而那些喊口号的项目则再也没有声音了...
- 托过去几年市场需求的福，大硅片市场情况不错，就导致各家供应商都在积极扩产。叠加上中国大陆的新项目热潮，最近几年的产能扩张非常严重。下图是日本本土硅片生产设备的出货情况。可以明显看到，从2021年开始，硅片厂的建厂节奏明显加快了。日本是全球硅片设备最主要供应地，这个的数据基本上反映了全球的产能扩张情况
- 如此剧烈的产能扩张，叠加上最近半导体下游（成熟制程为主）产能需求的不足。接下来的硅片市场竞争将尤为惨烈。下图中可见，从去年开始，全球大硅片的出货量一直在大幅下降
- 我今年上半年和一个国产供应商讨论这个问题的时候，他告诉我，这个行业（在当时）已经难受了半年了。按照我个人估计，目前形势下后续大硅片市场的惨烈竞争的问题很可能会持续较长时间。各家供应商需要严肃面对这个问题，做好过冬的一切准备
- 还有一点，大硅片的出货数据也是我目前最关注的指标之一。出货量何时反弹，将直接预示整个把那道题行业复苏的到来。所以，我也建议大家多多关注这一块
- 我之前带领实习生写过一系列的半导体硅片市场及供应商研究报告，欢迎对完整了解这个市场情况有兴趣的朋友搜索一下历史文章
来源于半导体综研，作者关牮 JamesG
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一文带你看懂什么是硅晶圆！他又如何制造的呢？
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在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如 8寸或是 12寸晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？ 其中 8寸指的是什么部分？ 要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢？ 以下将逐步介绍半导体最重要的基础——「晶圆」到底是什么?
什么是晶圆？
硅晶圆（wafer）用来制造集成电路（IC）的载板，在上面布满晶粒，将晶粒切开后得到芯片，将芯片经过封装测试，制成集成电路。硅晶圆尺寸是它的直径，目前较常见的有6、8、12英寸。硅晶圆的尺寸越大越贵，生产成本愈高，但能额外产出的芯片数量是好几倍，例如：12寸晶圆的生产成本大约是6寸晶圆的「2倍」，但是12寸晶圆的「面积」是6寸晶圆的「4倍」（边长2倍，面积4倍），最后得到的芯片数目是4倍，大的硅晶圆成本虽然较高，但单位成本是降低的，一片硅晶圆可以产生上百或上千个相同的芯片，但大的硅晶圆制程技术与环境设备要求，也相对来说更为严苛。
我们可以将晶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（也就是各式晶片）。 然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。 对晶片制造来说，这个基板就是接下来将描述的晶圆。
首先，先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形的凸出物，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。 晶片制造，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。 然而，该如何产生这样的材料呢，主要有二个步骤，分别为纯化以及拉晶，之后便能完成这样的材料。
如何制造单晶的晶圆
纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成98% 以上纯度的硅。 大部分的金属提炼，像是铁或铜等金属，皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。 但是，98% 对于晶片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。 因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。
接着，就是拉晶的步骤。 首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的硅。 之后，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。
然而，8寸、12寸又代表什么东西呢？ 他指的是我们产生的晶柱，长得像铅笔笔杆的部分，表面经过处理并切成薄圆片后的直径。 至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢？ 如前面所说，晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样，一边旋转一边成型。 有制作过棉花糖的话，应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的，而拉晶的过程也是一样，旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。 也因此，尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高，因此要做出高品质12 寸晶圆的难度就比8 寸晶圆还来得高。
只是，一整条的硅柱并无法做成晶片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆，接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成晶片制造所需的硅晶圆
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