一文带你搞懂晶圆和半导体晶圆产业链

在2018年半导体行业的小伙伴们最大的感受肯定就是涨涨涨,马上2020年各大厂商又放出消息由于晶圆紧张SSD、存储和其它芯片又要迎来一波涨价潮!!搞物料和采购的小伙伴们一定伤不起。。。又得求爷爷告奶奶开始找资源囤货了。

那么究竟什么是晶圆呢?为什么晶圆在半导体产业链中这么重要呢?针对这两个直击灵魂的问题,需要我们从龟腚说起。。不对,从硅锭说起,首先硅锭长下面这样:

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晶圆的主要材料是硅,日常生活中随处可见了的沙子中就富含二氧化硅,这些沙子经过一系列复杂的工艺,变成了上图“银光闪闪”的硅锭,将硅锭切割成一片一片的之后它就换了一个马甲,我们称之为“晶圆(wafer)".

至于沙子怎么一步步的变成wafer以及芯片的过程,可以参考下面的文章:一粒沙是怎么变成芯片的 。

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图 沙子提纯、高温整形、旋转拉伸变成“龟腚”

在跟芯片供应商谈价格的时候,供应商经常说的8寸晶圆、12寸晶圆,在形容晶圆厂的时候也会说8寸晶圆厂,12寸晶圆厂,8寸和12寸究竟是什么?一脸迷惑。。。

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其实在业内,通常是通过尺寸这个参数来描述这些晶圆的,8寸和12寸指的是晶圆的直径,晶圆的尺寸越大,制造的难度也就越高,当然这些大晶圆切割出来的芯片也就越多。

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目前全球芯片市场上,使用最主流的晶圆有三种规格:6 寸、8 寸、12 寸。现在市场上12寸的晶圆是主流,将近7成的产能都是12寸晶圆。


不同种类的芯片一般来说使用的晶圆规格是不一样的,晶圆的规格趋势总体上是往越来越大的方向发展的。

  • 功率半导体——6寸和8寸晶圆
  • MCU等处理器——8寸晶圆
  • 逻辑芯片和存储芯片——12寸晶圆


从使用领域的角度来看,目前对12寸晶圆需求最强的是存储芯片(NAND和DRAM),8寸晶圆更多的是用于汽车电子等领域。下表的数据是目前6寸、8寸、和12寸晶圆的占比数据。

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另外,不同规格的晶圆的工艺往往也是有差别的。在工艺的类型划分,可以将wafer划分为3种:抛光片、外延片和以 SOI 硅片。

一般而言,8寸以下的集成电路产线用抛光片,45nm及以下线宽的12 寸晶圆用外延片,SOI 是一种新型工艺。

抛光片是应用最为广泛的工艺,因为其它的工艺都是在抛光片的基础上进行二次开发的,抛光片可以用于制作存储芯片、功率器件以及外延片的衬底材料。

外延片是在抛光片的基础上生长了一层单晶硅,一般用于通用处理器芯片、二极管以及IGBT功率器件的制造。

SOI主要用于射频前端芯片、功率器件和汽车电子等领域。


在整个制作晶圆的流程中,制造工序分为如下几步,其中拉晶、抛光和检测是晶圆制造的核心环节。

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说完了wafer的基本概念、划分和工艺,有的小伙伴可能会问了,为什么晶圆产业链对芯片影响这么大?

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作为芯片设计源头产业我们当然清楚其在最终芯片中的影响因素,但是晶圆往往受到各个时期的产能、晶圆公司的盈利、以及国产晶圆等方方面面的因素有关。

其中除了产能本身导致的原因以外,还有一个重要原因就是半导体厂商的产能在一年以内的周期往往是稳定的,不会轻易的扩产。当年市场上某款芯片的成本往往取决于各家争取资源的能力,比如2017/2018年就因为部分8寸wafer资源被用于生产IGBT类的功率芯片,从而导致其它的使用8寸晶圆生产的芯片如传感器涨价。

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再说到晶圆产业链上,目前市场上的晶圆市场基本被大约15家晶圆厂垄断了95%的份额,主要原因就是晶圆的制造难度很大,而客户对纯度和尺寸的要求又非常高,国产晶圆厂面临着的是逆境突围的局势。

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信越半导体、盛高、环球晶圆、世创、LG等为代表的晶圆企业几乎供应了全球八成的半导体企业,而且长期处于供不应求的状态。

在晶圆的下游晶圆代工行业,老大就是宝岛台湾的TSMC即声名赫赫的台积电,找了一下CSIA(中国半导体协会)的数据,台积电竟然占据了晶圆代工52.7%的份额,紧随其后的是三星,市场占有率约为17.8%,第三是格罗方德,大陆的中芯国际以4.3%的市场占有率排在第五位,显然还有很长的道路要走。


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