中国粉体网讯 今年，在全球都遭受疫情的困扰下，在看新闻的时候，经常会看到“全球芯片大缺货，晶圆产能不足”、“芯片缺货”等报道。
那么，什么是晶圆？
简单说，我们可以将芯片制造比拟成盖房子，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）。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，便需要一个平稳的地基，对芯片制造来说，这个地基就是晶圆。
晶圆（来源：Redmi官方微博）
现阶段，晶圆市场还是以硅基为主。硅基晶圆最初的形态我们都见过，就是我们所熟悉的沙子。硅元素普遍存在于我们日常所见的沙子中，尤其是石英砂，所以石英砂通常被用作芯片制造的原材料。
1 晶圆制作
虽然原料来源丰富，但把平凡的事物变成不凡总要经历磨练，从普通沙子变成昂贵晶圆，需经历三个过程：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。
1.1 硅提炼及提纯
首先是硅提炼。被选用的石英砂会被放入一个高达2000℃的电弧熔炉进行提炼，得到纯度约为98%的纯硅。
石英砂硅提炼（来源：快科技）
但98%的纯度还无法达到芯片级硅晶圆的生产要求，还需要进一步提纯。盐酸氯化，并经蒸馏后，最终提炼出纯度高达11个9的多晶硅。
1.2 单晶硅生长
单晶硅生长通常采用直拉法。就是将已提炼好的高纯度多晶硅放在石英坩埚中，通过高温将其融化，然后提供一个籽晶即过冷度，边旋转边提拉，冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒，也就是我们常说的硅锭。
1.3 晶圆成型
单晶硅棒生产出后，将其按照适当的尺寸进行切割、研磨、抛光，晶圆片就成型了。
单晶硅棒切片示意图（来源：快科技）
2 晶圆指标
从技术来说，硅晶圆在纯度、表面整洁度等指标上都有很高的要求：
（1）硅晶圆纯度要求标准为11个9以上（99.999999999%），避免存在内部缺陷（COP）；
（2）表面颗粒尺寸需达到纳米级，先进制程中的硅晶圆颗粒需要小于10nm；
（3）表面高度落差小于10nm；
（4）表面杂质含量小于百亿分之一。
3 晶圆应用
我们平常所说的硅晶圆尺寸是指它的直径，目前较常见的有6英寸、8英寸、12英寸。
6英寸：功率半导体、汽车电子等
8英寸：主要用于中低端产品，如电源管理IC、LCD\LED驱动IC、MCU、功率半导体MOSFE、汽车半导体等
12英寸：主要用于高端产品，如CPU\GPU等逻辑芯片和存储芯片
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，所以单位成本是降低的。但大的硅晶圆制程技术与环境设备要求相对来说也更严苛。
1980年代硅晶圆占主流是4英寸；1990年代是6英寸；2000年代是8英寸；到2005年12英寸硅晶圆的市场份额已占20%，一直到目前为止，12英寸硅晶圆市场份额已经达到了80%。
4 晶圆厂
硅晶圆是制造技术门槛极高的尖端高科技产品，全球只有大约十几家企业能够制造。国外企业有日本信越半导体、日本胜高科技、德国Silitronic；国内企业有台湾环球晶圆、上海硅产业集团等。
其中全球排名前5的企业占有90%的市场份额，分别是日本信越半导体（市占率27%）、日本胜高科技（市占率26%），台湾环球晶圆（市占率17%）、德国Silitronic（市占率13%）、南韩LG（市占率9%）。
4.1 日本信越（Shin-Etsu）
日本信越成立于1926年，是全球硅晶圆片制造商巨头，是全球最大的硅晶圆片供应商，公司最早于2001年，成功研制了300mm硅晶圆片，并实现了SOI硅片的产品化，并能持续稳定地供应IC用硅晶圆片。
4.2 日本胜高（Sumco）
日本胜高由住友金属工业公司、三菱材料公司和三菱硅材料公司在1999年共同投资成立。
2002年日本胜高接管了住友金属工业公司的硅业务，与三菱材料公司合并，更名为胜高公司。
2007年，日本胜高成为全球第二大硅晶圆片制造商，也是全球少数能够生产300mm硅晶圆片的企业之一。
4.3 台湾环球晶圆（Globalwafers）
环球晶圆的前身为台湾光伏面板用硅晶圆的最大制造商中美矽晶制品股份有限公司的半导体事业部。
2012年，环球晶圆首次出击便以280亿日元的价格收购了当年全球排名第六、前身为东芝陶瓷的Covalent Materials，扩大了业务范围。
2016年5月，全球第六的环球晶圆宣布以3.2亿丹麦克朗收购丹麦上市公司Topsil旗下半导体事业群。
2016年8月，环球晶圆宣布以6.83亿美元收购全球第四的美国SunEdison Semiconductor公司，一跃成为第三大硅晶圆供货商。
2020年11月30日，全球第三大半导体硅片厂商环球晶圆宣布45亿美元收购全球第四大半导体硅片厂商德国Silitronic，如果本次收购完成，环球晶圆将一跃成为全球第二大晶圆厂，仅次于日本信越。
4.4 上海硅产业集团
上海硅产业集团股份有限公司（简称沪硅产业）成立于2015年12月09日。
2016年4月沪硅产业收购了第七大硅晶圆厂商芬兰Okmetic公司，该公司主要业务为SOI硅晶圆。
2016年5月沪硅产业集团通过认购法国Soitec定向增发的股份成为了这家SOI硅片龙头的最大股东之一。
2019年，沪硅集团收购了上海新傲科技。通过这几次收购，沪硅产业实现了中国半导体产业在SOI晶圆领域的突破。当前，上海新傲科技是中国唯一的SOI材料生产基地，也是世界上屈指可数的SOI材料规模化供应商之一，其拥有SIMOX（注氧隔离）、Bonding（键合）和Simbond（完全自主开发的SOI新技术）三类SOI晶片制造技术。
2017年之前，中国大陆的300mm（12英寸）硅片几乎全部依赖进口，中芯国际创始人张汝京团队创建了上海新昇，致力于打破中国对300mm硅晶圆的进口依赖。上海新昇在2018年率先实现了300mm硅片的规模化生产，突破了中国300mm硅片只能进口的历史。当前上海新昇的产品已经通过中芯国际认证，填补了中国半导体供应链中空白的一环。沪硅产业2020年5月又收购了上海新昇股权，加大了对国产300mm硅晶圆的投入。
5 晶圆发展前景
国际半导体产业协会（SEMI）在加州时间2021年10月18日发布的半导体产业年度硅晶圆出货预测报告中指出，全球硅晶圆出货量预计将在2024年实现强劲增长，2021年硅晶圆出货面积同比增长13.9%，创下近14000百万平方英寸（MSI）的历史新高。
SEMI产业研究与统计市场分析师Inna Skvortsova表示：“在多个终端市场对半导体长期需求强劲的推动下，我们看到硅出货量大幅增加。增长势头预计将在未来几年继续保持，但可能会因宏观经济复苏步伐放缓以及满足不断增长的需求所需的晶圆生产能力增加的时机而减弱。”
然而，这仍不能满足需求。考虑到各家硅晶圆厂目前产能利用率均达100%满载，且在未来2-3年内新增产能十分有限，预期2022年下半年硅晶圆供给短缺，2023年缺货情况会更严重。包括日本信越、日本胜高、环球晶圆、德国世创等全球四大硅晶圆厂，均认为硅晶圆市场供不应求情况会延续到2023年。
5.1 晶圆出货量大幅增长
全球硅晶圆出货量大幅增长乃至创下历史新高，其中最主要的一个原因就是产能的扩充，其次就是产能利用率的提升。不断创下历史新高的全球硅晶圆出货量背后，还有终端应用日益旺盛的市场需求。
除此之外，华为等企业受复杂国际形势影响采取了囤货措施，最终引发了市场连锁反应。这一点主要体现在，很多终端品牌为了规避供应链风险，也接连掀起囤货热潮。
5.2 晶圆厂商纷纷扩产应对缺货
面对晶圆供应紧张现象，日本信越希望通过在日本、中国台湾布局，把半导体材料的产能扩大两成。
日本胜高宣布将斥资2287亿日元在日本建设新厂，通过扩产300mm半导体硅片来缓解硅晶圆缺货现象。
环球晶圆与全球晶圆代工大厂格罗方德和格芯签署了8亿美元的合作协议，增加12英寸SOI晶圆产量，并且扩充环球晶圆在美国密苏里州圣彼得斯现有晶圆厂的8英寸SOI晶圆产能。
作为中国大陆规模最大的硅片制造企业之一，沪硅产业在产能扩充方面动作频频。沪硅产业--上海新昇300mm半导体硅片产能已达到25万片/月，2021年年底将实现30万片/月的产能目标；子公司新傲科技和Okmetic在200mm及以下抛光片、外延片方面的产能，合计超过40万片/月，200mm及以下SOI硅片合计产能超过5万片/月。
作为国内另一家硅片龙头，中环股份近日在投资者互动平台表示，公司通过启动天津新工厂的建设、加速江苏宜兴二期项目的实施，目前正在快速扩充产能，将较原计划提前实现6英寸及以下100万片/月，8英寸100万片/月，12英寸60万片/月的产能目标。
参考来源：
智东西、快科技、科技前沿情报站、维科网、科创板日报 、世界电子元器件期刊、前瞻网、中国电子报
（中国粉体网编辑整理/长安）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
