大硅片工艺及市场浅谈
作为芯片晶圆的主要原材料，全球硅片市场呈现出高度集中的状态，前五大硅片厂就占据了全球近九成的硅片市场份额。排名第一的是做肥料起家的日本信越化学，占领了28%的市场份额。第二位的是日本三菱住友商社SUMCO，占领了22％的市场份额。第三的是**的环球晶圆，占据了15％的市场份额。环球晶圆原本在去年计划收购排名第四的德国晶圆大厂世创公司，最终因为德国政府的反对而收购失败。否则加上世创11％的市场份额，环球晶圆很有希望能冲击市场老大的位置。而我国代表企业沪硅产业目前占市场份额在2％左右，可见整体上我们和世界主要玩家的差距非常大。
硅片由单晶硅棒切割而来，单晶硅棒是用多晶硅为原料通过直拉法和区熔法两种工艺制成。直拉法是目前主流的制作单晶硅棒的生产工艺，通过将单晶硅籽粒伸入融化了多晶硅的坩埚内的，边旋转边拉出形成单晶硅棒。目前全球九成的单晶硅棒是通过直拉法生产出来的。区熔法是利用电加热多晶硅棒再通过单晶硅籽粒向下拉出融化的单晶硅棒。区熔法因为生产工艺所限目前主要生产8英寸及以下尺寸的单晶硅棒，但因为它不使用石英坩埚，所以没有污染，单晶硅棒纯度高，能用于性能要求高的电子器件。单晶硅棒再经过磨外圆，切片，倒角研磨，抛光，清洗，检测等一系列工序制成硅片。
基于成本的考量，硅片尺寸一定是越大越好，但在实际的生产和使用过程中，目前尺寸最大在300豪米、12英寸。这是因为在这个尺寸上，每根单晶硅棒就已经达到了惊人的近300公斤。
硅片种类上分为抛光片，退火片，外延片，结隔离片和绝缘体上硅片。其中最普遍和基础的就是抛光片。其它几种硅片都是在抛光片上加工而成。抛光片由高纯度的多晶体硅熔化、结晶、切割、打磨、清洁而成的晶片，再制成硅片晶体的薄板形状，产品的直径为200毫米/300毫米，主要用于制造类似于NAND Flash Memory的存储半导体。退火片是通过高温退火工艺去除晶圆表面氧原子来改善晶圆表面良率，退火介质有氢气和氩气。外延片也叫EPI晶片，是将厚度为几um 的硅单晶层蒸镀到抛光的晶片上的一种晶片。 EPI晶片用于非存储半导体，例如逻辑设备和CMOS图像传感器，作为下一代晶片，其需求度越来越高。
结隔离片是根据客户设计要求在晶圆表面预埋一个嵌入层，在经过光刻，离子注入，热扩散后再在表面蒸镀一层硅单晶层。绝缘体上硅片是将具有高电绝缘性的氧化物层夹在两个抛光晶片之间，然后将其粘合在一起。这使得其具有高集成度、低功耗、高速度和高可靠性。
判断硅片质量的几个重要指标分别是结晶度，平滑度和洁净度，都直接影响到产出品的良率和性能。目前国产设备的性能和国际先进设备相比还有较大差距。
从晶圆衬底材料发展来看，目前已经发展到第三代主要以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。相比第一代主要以硅和锗为代表的元素半导体材料，第二代主要以砷化镓和磷化铟为代表的化合物材料，第三代材料具有禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此用第三代材料制造的半导体产品能适应更高的电压，更高的频率，性能更加稳定。目前我国企业在碳化硅晶圆领域也在不断摸索和进步，市场前景广阔，特别是在新能源汽车高速发展的我国市场，碳化硅元器件的需求随着电动汽车800V高压架构的发展，将会持续上升。而目前的国际市场，六成的碳化硅供应由Wolfspeed控制，呈现出一家独大的态势。
Wolfspeed的前身是CREE美国科瑞，自从CREE在上世纪80年代成功在碳化硅晶圆上生成全球首个蓝色LED，几十年来CREE一路领先，开发出首个碳化硅晶圆，首个商用碳化硅二极管，首个碳化硅MOSFET。在这个过程中积累了大量的Knowhow和专利。碳化硅产品制作难度大，成品率低为Wolfspeed筑起了市场护城河。但市场上其它老牌硅片厂都虎视眈眈，因为不追赶就是被淘汰。**的环球晶圆和韩国的SK都陆续退加大了对碳化硅衬底的投资，进一步扩大碳化硅衬底的产能，同时世界晶圆市场占有率排名第六的Soitec在2021年11月30日也宣布，收购碳化硅晶圆抛光和回收公司NOVASiC，以推动电动汽车和工业应用电源**半导体的开发。甚至半导体元器件大厂罗姆和意法半导体自己都在收购碳化硅衬底企业，以建立自己的安全供应链，摆脱来自上游原料供应商的牵制。
作为原材料技术大国的日本当然业不甘心落后，虽然国内矿产资源贫乏，但凭借其领先的材料科学和深厚的材料产业基础，也不断在这一领域进行深耕。据日本媒体报道，自住友金属矿山在2017年收购了电子部件经销商加贺电子旗下的碳化硅基板开发企业日本SICOXS，其一直在推进共同研究并开始量産新一代功率半导体使用的碳化硅晶圆。另一家老牌企业昭和电工也宣布投入700亿日元来对现有的碳化硅产线进行扩产。
而科瑞的老对手美国高意通过收购美国相干公司意外收获了向英飞凌供应１５０豪米碳化硅衬底的合同，而英飞凌一直是Wolfspeed的主要客户。同时高意也向我国东莞天宇供应碳化硅衬底，合同价值一亿美金。高意将通过在美国宾夕法尼亚和我国福州扩建生产基地来进一步扩大产能，来满足增长的客户需求。
面对来自多方的竞争压力，作为行业第一的Wolfspeed用激进的扩产行动向世人诠释了公司更名的意义，展现出了公司狼性文化。通过在占地450英亩的Marcy Nanocenter上建造价值10亿美元的碳化硅芯片设施，在今年４月WOLF获得6.5亿美元的美国国家补贴，用来生产目前世界最大的碳化硅晶圆。
在这硅片衬底的上游市场较量中，我国企业依旧处于追赶的地位。任重而道远。
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