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作者：豐寧
硅片作為芯片制造最重要的基礎原材料，伴隨半導體各種應用需求的衍生，硅片市場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的經濟效益明顯，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，單片可產出的芯片數(shù)量增加，單個芯片的成本隨之降低。在當下行業(yè)對產能要求大量增加的情況下，12英寸硅片的優(yōu)勢越來越明顯。
01、12英寸硅片已成熱潮
12英寸硅片現(xiàn)已成為所有先進半導體制造廠不可或缺的關鍵材料。從下游應用來看，12英寸硅片的需求主要來源于存儲芯片、邏輯芯片等應用，終端應用領域主要為智能手機、PC/平板、服務器、電視/游戲機等，分別占比32%、20%、18%和10%，服務器、工業(yè)、汽車、通信應用占比較小，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）和臺積電（TSMC) 等國際大廠紛紛宣布擴產計劃，硅片需求量不斷增大。中國大陸 12 英寸硅片廠也進入資本開支高峰期，國內的中芯國際、華虹集團等廠商陸續(xù)進入加速擴產期，產能快速增長。根據(jù)SUMCO發(fā)布的全球12英寸硅片需求預測數(shù)據(jù)，到2025年全球12英寸硅片需求將達到910萬片/月。
然而中國最常用的12英寸硅片產品主要依賴于進口，能夠批量生產大尺寸半導體硅片的企業(yè)數(shù)量相對較少。目前，中國具備12英寸半導體硅片生產能力的廠商有立昂微、滬硅產業(yè)、環(huán)球晶圓、中環(huán)股份、有研半導體、上海新昇等。隨著 12 英寸大硅片需求持續(xù)拉升，國產硅片廠商也進入了“大硅片擴產潮”。
02、月產百萬片，產能大爆發(fā)
根據(jù)滬硅產業(yè)2021年年度報告顯示，其募投項目“集成電路制造用300mm高端硅片研發(fā)與先進制造項目”以子公司上海新昇為實施主體，已完成30萬片/月的安裝建設，并啟動新增30萬片/月的擴產建設，項目工期42個月，預計到2025年12英寸產能到達60萬片/月。
根據(jù)中環(huán)股份年報，截至2021年底，12英寸半導體硅片產能為17萬片/月，至2022年底預計產能約30萬-35萬片/月。中環(huán)股份表示，將通過啟動天津新工廠的建設、加速江蘇宜興二期項目的實施，快速擴充產能，并有可能較原計劃（2023年底）提前實現(xiàn)6英寸及以下110萬片/月，8英寸100萬片/月，12英寸60萬片/月的產能目標。
立昂微2022年半年度報告顯示，其12英寸硅片規(guī)模上量明顯。今年3月，立昂微斥資15億元收購了國晶半導體58.69%股權，以加強存儲、邏輯芯片用輕摻12英寸硅片的市場地位，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英寸硅片運營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年底已達到月產15萬片的產能規(guī)模，在建月產10萬片的產能。嘉興金瑞泓12英寸項目設計產能40萬片/月，目前全部廠房已經建成，生產集成電路用12英寸硅片全自動化生產線已貫通，設備正在陸續(xù)到位，預計2023年底形成第一期15萬片/月的產能。
2020年鑫晶半導體一階段10萬片/月產能已正式投產，預計2022年底產能擴充到30萬片/月。鑫晶大硅片項目一期投資68億元，建設12英寸半導體大硅片長晶及切磨拋生產線，年規(guī)劃產能360萬片。
今年6月，西安奕斯偉硅產業(yè)基地擴產項目于西安市高新區(qū)開工，奕斯偉硅產業(yè)基地目前擁有一座50萬片/月產能的12英寸硅片工廠，已于2020年7月投產。二期項目計劃新建一條12英寸硅片生產線，規(guī)劃產能50萬片/月，建設年限為2022年-2026年，滿產后總產能將達100萬片/月，出貨量有望躋身世界前六。
去年12月，杭州中欣晶圓半導體股份有限公司半導體12英寸大硅片二期擴建項目竣工，項目從2021年3月份開始籌劃，到12月20日竣工，建設時間共計歷時9個月左右，助力中欣晶圓12英寸硅片產能在2022年底增加至每月20萬片。
今年年中，合晶也在其股東會上表示，積極切入12英寸硅片，在龍?zhí)稄S建置3萬片產能，強化N 型低阻重摻硅片技術，并開發(fā)邏輯元件用P 型半導體所需輕摻硅片。此外，合晶科技還將啟動大陸鄭州廠擴產，其鄭州廠原本12英寸月產能約1萬片，預計最快今年下半年可逐步增為2萬片。兩部分產能合計，預計2023 年底，12 英寸產能可達月產能5 萬片規(guī)模。
03、上量同時，仍需解決哪些難題
提高良率
在摩爾定律的驅動下，半導體芯片的制程已經從較為成熟的制程 90nm、65nm、45nm逐漸發(fā)展至當前7nm、5nm、3nm。隨著制程的不斷縮小，芯片制造工藝對硅片缺陷密度與缺陷尺寸的容忍度不斷降低。在先進制程工藝下，大硅片的表面微粗糙度、硅單晶缺陷、金屬雜質、晶體原生缺陷、表面顆粒尺寸和數(shù)量等技術指標要求也更加高，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專項中，就有大硅片方面項目的經費準備，但遲遲不能立項，原因就是雖然有國內研發(fā)機構曾經做過12英寸大硅片，研發(fā)成功，但由于良率不高還不能量產。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。滬硅產業(yè)曾表示其2018-2021 年產能與達產率較低造成高單位成本，12英寸硅片毛利率持續(xù)為負，如今12英寸大硅片的正片率正在不斷爬升。就目前來看，“良率不高”依舊是阻礙12英寸硅片國產化進程的最大障礙。
降低成本
制作大硅片是為了降低生產成本，但更大的硅片往往無法帶來更高的生產效率，反而可能增加設備成本與時間成本。
因為8英寸產線建廠時間較早，產線基本已折舊完畢，且技術較為成熟，在部分制程要求不高的芯片上成本較低，但12英寸對代工企業(yè)廠房潔凈室及設備的設計精密度要求都較高，需要購買昂貴先進的生產設備，亦需要根據(jù)客戶需求不斷進行修改或調試，前期固定資產投入量大。
甚至部分廠商仍然采用老產能生產大硅片，這就會使大硅片生產具有一定的難度，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，很多切片機也切不了大尺寸的硅片；而且熱場直徑太小，拉大尺寸單晶硅棒成本也將更高。因此降低設備和研發(fā)成本是激勵更多廠商投入12英寸硅片生產的一項重要原因。
加速進入批量供貨
芯片制造企業(yè)對于引入新供應商態(tài)度謹慎，為了保證產品質量的穩(wěn)定性和一致性，需要經過很長時間的認證周期。通常芯片制造企業(yè)會要求硅片供應商先提供一些硅片供其試生產，待通過內部認證后，芯片制造企業(yè)會將產品送至下游客戶處，獲得其客戶認可后，才會對硅片供應商進行認證，最終正式簽訂采購合同。新進半導體硅片廠商要成為客戶主要供應商一般需要5年以上的認證過程：2年左右的產品流片評估——1年左右的陪片和測試片穩(wěn)定供應——低價格低數(shù)量訂單正片供應1 年——正常價格訂單的 B 類和 C 類供應商——主要供應商。加速通過芯片制造企業(yè)的認證也是加快硅片制造廠商獲得收益的路徑。
04、結語
張汝京曾說，“從整個電子產業(yè)鏈看，我國集成電路產業(yè)在設計、封測環(huán)節(jié)已做得不錯，整機環(huán)節(jié)則做到了全世界最強；而現(xiàn)在，設備制造方面也有了很大進步，只是集成電路等級的硅片產業(yè)基礎還很薄弱，12英寸芯片級硅棒和襯底制造是目前國內半導體價值鏈上缺失的一環(huán)。”
12 英寸硅片如今已經成為先進制程的主流方案。雖然中國12英寸半導體硅片發(fā)展較晚，但目前部分項目已取得階段性成果，現(xiàn)在正處于國產大硅片自給之路的開端，后期任重而道遠，中國的硅片產業(yè)仍在不斷努力、堅持和投入。
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