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產業技術評析

半導體用矽晶圓材料發展概況
發表日期:2022-08-17
作者:陳靖函(工研院)
摘要:
5G通訊技術興起實現物聯網(IoT)以及人工智慧(AI)的夢想。根據IDC最新「全球半導體技術和供應鏈情報」研究指出,2022年全球半導體營收預計將達到6,610億美元,繼2021年營收達到5,820億美元的強勁業績後,年成長率為13.7%。

全文:

5G通訊技術興起實現物聯網(IoT)以及人工智慧(AI)的夢想。根據IDC最新「全球半導體技術和供應鏈情報」研究指出,2022年全球半導體營收預計將達到6,610億美元,繼2021年營收達到5,820億美元的強勁業績後,年成長率為13.7%。我們可預見5G技術將帶動遠端科技、智慧家庭、智慧製造、智慧醫療、汽車電子等需求持續提升,這些廣大的應用將使用大量的運算處理晶片、通訊用晶片、電源管理晶片、影像處理晶片等,使晶片製造業者,如台積電、聯電、世界先進等大廠訂單應接不暇,2021年炙手可熱的車用電子晶片更出現訂單供不應求、下訂單還需要排隊的情況,對於上游矽晶圓製造業者,如環球晶、合晶、台勝科等,也受到此波熱潮影響而受惠,因矽晶圓一直是半導體產業不可或缺的重要材料。
 

一、矽晶圓的產業鏈與應用概況
 

透過矽晶圓製程來生成粗矽,或稱不純矽(純度98%,冶金級):SiO2+C=Si+CO2。再以鹽酸氯化並經蒸餾後,製成了11N的高純度多晶矽,再以柴可拉斯基法將多晶矽熔解,於溶液內摻入一小粒的矽晶體晶種,然後將其慢慢拉出,形成圓柱狀的單晶矽晶棒,因為矽晶棒是由一顆小晶粒於融熔態時的矽原料中逐步生成的,故稱之為「長晶」。而矽晶棒的直徑,即是矽晶圓的直徑。而晶圓在經過切片、邊緣研磨、拋光後即成為眾所週知的矽晶圓(如圖一)。目前主流晶圓的直徑為6吋、8吋、12吋矽晶圓,而當今許多用於物聯網和5G的元件或晶片,以及部分類比晶片、MEMS晶片、射頻晶片和感測元件等,皆是採用8吋晶圓來生產技術較為成熟之製程。12吋晶圓則是應用於最先進製程來生產最先端的CPU、GPU等晶片,但無論8吋或是12吋晶圓,皆是電子產品的重要關鍵原料。

矽晶圓廠的上游材料來源為多晶矽,製造多晶矽的大廠有:Hemlock(美國)、Wacker(德國)、REC(挪威)、東洋化工/OCI(韓國)、Tokuyama(日本)和協鑫集團/GCL(中國大陸)。矽晶圓材料的供應商有:環球晶圓(臺灣)、台勝科(臺灣)、合晶(臺灣)、嘉晶(臺灣)、信越化學工業(日本)、SUMCO(日本)、SK Siltron(韓國)、Siltronic(德國)。其下游客戶就是晶圓代工廠,有台積電(臺灣)、世界先進(臺灣)、聯華電子(臺灣)、美光(美國)、中芯國際(中國大陸)、海力士(韓國)、三星(韓國)、KIOXIA(日本)、GLOBALFOUNDRIES(美國)、Intel(美國)、旺宏(臺灣)、南亞科(臺灣)等大廠。已繪製整理產業鏈如圖二所示。
 

圖一、Silicon Wafers

資料來源:ShinEtsu(2022)
圖一、Silicon Wafers
 

圖二、半導體用矽晶圓材料上、中、下游產業鏈圖

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2022/07)
圖二、半導體用矽晶圓材料上、中、下游產業鏈圖
 

二、小晶片技術的需求與發展
 

Chiplet-小晶片技術被視為延緩半導體摩爾定律的方法之一。因摩爾定律趨向2奈米、甚至1奈米邁進,恐已達物理極限,Chiplet技術將成為後摩爾定律時期的新機。所謂Chiplet技術是將原本單一晶片的處理器劃分成多個小晶片,如:存儲、計算、信號處理、I/O等功能晶片,最終再將它們連接成一個的晶片網絡。換句話說,未來可能將來自於不同製程、不同材料的個別晶片,一同置於Interposer基板之上,Interposer基板又稱為中介層基板;簡單來說,就是利用一個較大的矽片,再將各功能的小晶片安置於其上,並讓晶片間可以互相溝通的技術。

Chiplet技術(如圖三)將採用有別於以往的SoC設計概念,將原先整合的SoC的大尺寸晶片,分散至小晶片,以滿足高效能處理器的性能需求,此彈性的設計除了減少晶片開發設計的時程,也可以達到更好的良率與生產成本,因此不僅可以增加晶片設計業者的利潤外,還可以減少產品從開發到上市的時間,達到快速上市(Fast Time to Market)的目標。根據Gartner估計,2020年小晶片封裝市場規模約達32.7億美金,到2024年將擴大至約505億美金,足見市場需求龐大,主要應用市場為高階智慧型手機、筆記型電腦與伺服器。
 

圖三、Chiplet Integration in HPC Applications

資料來源:ASE(2022)
圖三、Chiplet Integration in HPC Applications
 

三、全球矽晶圓材料市場分析
 

全球生產矽晶圓之主要供應商,包括日本的信越化學和SUMCO、德國的Siltronic,韓國的SK Siltron以及臺灣的環球晶圓、台勝科、合晶、嘉晶;其中,日商信越化學和SUMCO產量合計全球市占率近五成。

2021年開始,已經有國家逐漸走出疫情的陰霾,經濟逐漸復甦當中,但仍有國家正在經歷疫情的考驗,觀察半導體晶片需求可以看出,邏輯晶片銷售市場主要為延續2020年需求上揚之姿,加上記憶體需求亦回溫,又汽車產業對車用電子需求逐步走強,網通相關設備與雲端運算系統需求亦顯著,使8吋、12吋晶圓供需緊張。

展望2022年,在雲端高階伺服器、HPC、車用電子的技術不斷演進下,預期市場對於各類晶片需求仍將保持成長態勢,半導體產業整體市場可望繼續擴張,惟須持續關注全球疫情、俄烏戰爭、通膨等變因。長期來看,由於5G、AIoT等技術與應用的普及,對於上游矽晶圓材料銷售量之預估仍屬穩定成長。
 

圖四、2020~2025年全球半導體矽晶圓需求量預估

資料來源:富士経済(2022)
圖四、2020~2025年全球半導體矽晶圓需求量預估
 

四、國際大廠發展概況
 

矽晶圓製造廠商,主要為日商、韓商與臺商,如:信越化學(日商)、SUMCO(日商)、環球晶圓(臺商)、台勝科(臺商)、嘉晶電子(臺商)、合晶科技(臺商)、SK Siltron(韓商)、Siltronic(德商)等晶圓廠。2020年開始,因5G技術逐步成熟,帶動網通設備、HPC等應用之高階CPU、GPU晶片的需求持續攀升,又AIoT、HPC、車用電子應用需求持續增加,加上半導體產業對記憶體(3D-NAND)需求亦有增無減,種種因素加總起來,對各大矽晶圓製造廠皆是利多。

(一) 信越化學

信越化學是全球製造矽晶圓的第一大廠,會以長約方式和客戶簽訂合約,以確保彼此長期的利益,該公司除了矽晶圓材料以外,亦生產高階光阻劑,如EUV光阻劑,於半導體材料中具有領先地位。

(二) SUMCO

SUMCO公司亦會以長約方式和客戶簽訂合約,以確保彼此長期的利益,該公司也生產各式矽晶圓材料,含Polished Wafer、Annealed Wafer、Epitaxial Wafer、Junction Isolated Wafer、Silicon-On-Insulator Wafer,並於臺灣設立子公司:台塑勝高科技,簡稱台勝科,即是就近供貨給臺灣下游IC製造之矽晶圓公司。台勝科更於2021年底宣布,將於雲林麥寮台塑工業園區內投資新臺幣282.6億元,擴建新的12吋矽晶圓廠。這是台塑集團在半導體領域的一項重大投資,該廠預計在2024年投產。

(三) 環球晶圓

環球晶圓目前為全國第三大矽晶圓供應商,公司產品多樣化,有:Polished Wafer、Annealed Wafer、Epitaxial Wafer、SOI Wafer、化合物半導體材料。環球晶圓更為擴大產品線及產品定位、提高於全球布局能量、增加採購便利性、加速技術研發與達到更高的規模經濟效益,於2008~2016年,一共併購了四家公司,分別是:2008年收購Globitech、2012年收購Covalent Materials、2016年收購Topsil與SunEdison Semiconductors。

2021年收購德國矽晶圓大廠Siltronic未果,公司亦考慮進行多項現有廠區及新廠擴產計畫:含12吋晶圓與8吋FZ、GaN on Si等大尺寸次世代產品;擴產計畫涵蓋全球三大洲,分別為亞洲、歐洲和美國地區,預估新產線產品將從2023下半年開始出貨。

(四) SK Siltron

SK Siltron於2017年從LG手中收購LG Siltron,但因南韓所需的矽晶圓高度仰賴日本進口,故為了確保矽晶圓材料於全球的競爭力,於2019年宣布收購美國化學大廠杜邦(DuPont)的碳化矽(Silicon Carbide,SiC)晶圓事業,以鞏固南韓矽晶圓自製比例,並於2020年3月表示已完成對杜邦碳化矽晶圓事業部的收購事宜。

(五) 嘉晶電子

嘉晶提供100~200mm的磊晶矽晶圓產品,由基板到磊晶層的規格皆可依據客戶的元件特性進行設計與生產,並依據不同的特性與需求,設計適合的生產方式與相關製程條件。而今大家提及之磊晶矽晶圓片(Epitaxial Wafer),主要是指在一拋光晶圓片,亦稱為基板(Substrate),所長出的一層單結晶薄膜,而這層薄膜會在某個平面上進行規則排列的成長行為稱之。

(六) 合晶科技

合晶科技產品包括各種200毫米(含以下)的晶圓,如:拋光晶圓、磊晶晶圓、雙拋晶圓、研磨晶圓、蝕刻晶圓、超薄晶圓及SOI晶圓。並針對不同應用的元件特性,以本身的材料專業及由長晶至磊晶的整合技術,藉以達到客戶的需求。

合晶科技除了拋光晶圓之外,亦由集團內專責磊晶的上海晶盟提供各種摻質、各式濃度與厚度的磊晶晶圓,涵蓋元件應用領域包括功率元件、影像感測、類比元件、邏輯元件等,並可依客戶所需,提供埋層磊晶、多層磊晶的特殊服務。除了拋光晶圓與磊晶晶圓外,亦將開發多年的晶圓鍵合與相關技術,搭配自主生產的各類晶圓,製作成200毫米與150毫米的SOI (Silicon-On-Insulator)晶圓,並鎖定微機電元件、光學元件、類比元件等應用領域,以高度彈性的自主技術與材料,提供客戶所需之SOI晶圓。

公司於2022年和經濟部申請,預計斥資逾24億新臺幣在桃園龍潭科學園區的廠房增建無塵室及12吋智慧化矽晶圓生產線。

(七) Siltronic

2019年榮獲國際大廠INTEL認可為Preferred Quality Supplier(PQS)供應商。2020年與臺商環球晶圓談合併營運,以逐步實現成為全球領先的矽晶圓生產商之目標,兩家公司的產品組合於許多面向皆可互相補足,雖然最終沒有實現企業合併,但公司於2021年10月在新加坡淡濱尼晶圓園區舉行新廠房的動土典禮,並與新加坡經濟發展局(EDB)合作,預計到2024年底投資約20億歐元(相當於近30億新加坡幣),以滿足全球不斷增長的半導體市場需求。
 

五、結論
 

臺商於全球矽晶圓產值排名第二名,除了可以滿足下游IC製造的需求之外,亦可銷售給世界其他國際大廠,使臺商在全球矽晶圓製造的地位顯得愈來愈重要,近年來陸商也開始加入研發矽晶圓製造的行列,預估未來將逐漸提高於矽晶圓製造市場之比重。

2020年起,因為5G技術逐漸成熟,雖毫米波技術尚未完全到位,但Sub-6G技術已經開始實行並已有應用產品問世,又該年度因肺炎疫情使市場對於宅經濟、遠端防疫科技產品需求提高,同步帶動伺服器、網通設備、與其相關的終端應用產品需求升溫;2021年延續2020年市場對於網通設備、HPC、車用電子晶片等高速運算晶片需求,使整體半導體產業產值持續上升,多樣化的終端產品應用皆需使用IC晶片,又諸多IC晶片產品皆由矽晶圓材料生產得之,因此,預估市場對於矽晶圓的需求仍會持續。日本、臺灣為矽晶圓製造兩大本營,皆在5G、AIoT、HPC、車用電子等產品需求商機中具備優勢。值得注意的是,2022年因受到中國封城、俄烏戰爭,及疫情升溫影響,使半導體產業出現雜音,惟須持續觀察與評估通膨對於消費性電子等電子產品需求的影響,方可對半導體製程相關材料做更精準的趨勢評估與預測。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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