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2018年中国硅片行业加工工序、应用场景及产品尺寸分析(图)
发布时间:2018-06-12 16:08
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一、通过加工工序分类

        除了最普通的抛光片外,硅片还有较多特色工艺产品,主要包括退火片(Annealed  Wafer),外延片(Epitaxial Wafer),绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator Wafer)等。


        退火片(Annealed Wafer)是将抛光片置于退火炉中,在氢或氩气氛中进行高温退火,随着此过程去除晶片表面附近的氧气,可以改善抛光片表面特性。

退火片生产原理
 
图表来源:公开资料整理


        外延片的生产流程是将抛光片在外延炉中加热到 1200℃左右。通过汽化的四氯化硅(SiCl4)和三氯硅烷(SiHCl3)生长气相外延。它具有抛光片所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
 

外延片生产原理
 
图表来源:公开资料整理

        绝缘体上硅即 SOI 硅片,SOI 是一种三明治结构,最上面是顶层硅,中间是掩埋氧化层(BOX),下方是硅衬底。制备 SOI 材料的技术主要有注氧隔离(SIMOX)、键合减薄(BESOI)和智能剥离(Smart-Cut)等,当前最主流的技术是智能剥离。

        SOI 的优势在于可以通过氧化层实现高电绝缘性,这将大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。随着半导体制程工艺不断演进,SOI 方案的优势逐渐凸显。在 28nm 以下先进制程中,FD-SOI(全耗尽 SOI)具有明显的低功耗,防辐射,耐高温的性能优势,同时采用 SOI 方案可以大大减少工序,降低成本。根据 Marketsand Markets 最新预估,SOI 市场在 2017-2022 年期间平均复合成长率将达 29.1%,2022 年市场价值将有望达到 18.6 亿美元。
 

SOI 智能剥离方案生产原理
 
图表来源:公开资料整理

        通过产业链调研,我们了解到 SOI 目前主要的应用场景有功率器件,射频开关,硅光芯片,高端 MEMS 等。先进制程里,汽车电子相关的 I.MAX 处理器,ADAS 芯片亦有采用 FD-SOI。

二、通过应用场景分类


        从硅片在晶圆厂的应用场景角度来看,硅片可以分为挡片(Dummy Wafer),控片(Monitor Wafer)以及正片(Prime Wafer)。其中挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差处所切割出来,用于调试机台、监控良率。随着晶圆厂制程的推进,基于精度要求及良率的考量,需要在生产过程中增加监控频率。65nm 制程每投 10 片正片,需要加 6 片挡控片,而 28nm 及以下制程,每 10 片正片需要加 15-20 片挡控片。

        参考观研天下发布《2018-2023年中国硅片市场竞争格局及投资规划研究报告

        挡控片的用量巨大,为了避免浪费,晶圆厂往往会回收用过的挡片,经研磨抛光,重复使用,但挡片的循环次数有限,一旦超过门限值,则只能报废处理或当做光伏硅片使用。而控片则需具体情况具体对待,用在某些特殊制程的控片无法回收使用,那些可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片(reclaimed wafer)。
 

硅片可以分为挡控片及正片
 
图表来源:公开资料整理
三、通过硅片尺寸分类

        伴随着半导体行业的发展,硅片的尺寸也逐步提升。从最早在 1965 年诞生的 2 英寸直径硅片(50mm),到 4 英寸(100mm),5 英寸(125mm),6 英寸(150mm),8 英寸(200mm),再到 2000 年面世的 12 英寸(300mm)硅片。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。
 

硅片尺寸发展史
 
图表来源:公开资料整理


        12 寸硅片的下一站是 18 寸(450mm)硅片。2011 年,全球五大半导体厂商 IBM、英特尔、三星电子、台积电和 Global Foundries 共同成立全球 450mm 联盟(G450C),用于推动 18 寸硅片发展,除此之外,还有 EEMI450,Metro450 等联盟在协同运作。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,产业链上下游厂商对 18 寸硅片的推动力度不足。

从各尺寸硅片的出货面积比例来看,12 寸业已成为业内主流,2017 年占全球硅片出货量的 56.1%。

 

12 寸硅片占比持续提升(等效 8 寸片)
 
图表来源:公开资料整理
 
 
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