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半导体晶圆产业报告:全球晶圆产能分析及前景预测

市场研究机构IC Insights近日公布了最新的2016~2020年全球晶圆产能报告,显示全球营运中的12寸(300mm)晶圆厂数量持续成长,预期在2016年可达到100座。

IC Insights报告中其他关于12寸晶圆厂重点还包括:

· 有几座预定2013年开幕的晶圆厂延迟到了2014年;而随着台湾业者茂德(ProMOS)的两座大型12寸厂在2013年关闭,导致营运中的12寸晶圆厂数量在2013首度减少。

· 截至2015年底,全球有95座量产级的IC厂采用12寸晶圆(有大量研发晶片厂以及少数生产非IC产品,例如CMOS影像感测器的量产晶圆厂,但不包括在统计中)。

· 目前全球有8座12寸晶圆厂预计2017年开幕,有可能使该年度成为自2014年有9座晶圆厂开始营运以来,第二个有最多数量晶圆厂开始营运的年份。

· 到2020年底,预期全球将有再22座的12寸晶圆厂营运,让全球应用于IC生产的12寸晶圆厂总数达到117座。而如果18寸(450mm)晶圆迈入量 产,12寸晶圆厂的高峰数量可达达到125座左右;而营运中8寸(200mm)量产晶圆厂的最高数量则是210座(在2015年12月为148座)。

12寸晶圆厂数量持续成长

今日的12寸晶圆厂可以很巨大,但它们以一种模组化的格式装备;每个“模组”通常具备每月25K~45K晶圆片的产能,并与最接近的晶圆厂模组紧密连结;台积电(TSMC)已经将这种模组化方案最佳化,其Fab 12、14与15等据点都是分阶段扩张。

而18寸晶圆技术持续迈向量产,尽管其步伐不愠不火;而因为微影技术是转移至18寸晶圆最大的挑战之一,设备业者ASML在2014年3月宣布将暂时延迟18寸晶圆设备的开发,有产业界人士认为这是个18寸晶圆可能永远部会发生的征兆。

此外ASML还指出,其延迟18寸晶圆设备开发的决定是基于客户的要求。IC Insights并不认为这意味着18寸晶圆将胎死腹中,不过该尺寸晶圆的试产可能要到2019年以后才会发生,而量产则还要再2~3年。

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全球不同尺寸硅片市场现状及发展预测

300mm硅片也就是12英寸硅片,自2009年起成为全球硅圆片需求的主流(大于50%),预计2017 年将占硅片市场需求大于75%的份额。12寸的流片工艺是半导体制造中的很重要的工艺,所以我们现在也看到,大陆新建的晶圆代工厂,大多是12寸的工厂,其次还有一些使用二手设备的8寸的工厂,但6寸以下的新晶圆代工厂几乎没有。

截止2014年,全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,平均约450万片/月。2015年第1~第2季度每月平均需求量约500万片。目前,12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸(16nm和14nm)的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片。

2014年,在前十大的300mm晶圆需求厂商中,使用量最大的是三星,主要用于制作存储器和逻辑芯片,第二大是美光,只做存储器,第三大是 Toshiba和SanDisk的公司,也基本上都是逻辑产品, 第四大的使用者是海力士,几乎全是存储器,而第五大使用者是台湾的台积电(TSMC),几乎全部用作逻辑芯片,英特尔是第六大使用量。在前十大使用量中,台积电,联电(UMC),Powerchip等,12寸硅片代工和存储器,华人做的很不错。而我们国内对12寸硅片的需求量,也开始起来了,从半导体市场的需求量来看,大概从2004年开始,中国的需求量已经超过美国成为全球半导体需求最大的国家,2010年左右,中国大陆半导体的需求量占全球的 50%,2016年,基本占全球需求量的60%。

大陆半导体需求量非常大,我们自己的IC(集成电路)产业生产量不够,所以现在IC(集成电路)已经成为中国大陆进口额最多的单一项目,连续数年超过了石油的进口额。中国作为IC(集成电路)的使用大国,生产却量能不够,过多依赖进口,因此,目前国家成立的集成电路产业投资基金(大基金)及地方政府成立的集成电路专项基金,目的就是加速集成电路产业的发展和提升。

在2000年左右,国内IC(集成电路)生产可供应大约6-8%的国内需求,也就是超过90%依赖进口。到中芯国际建立后加上其它同行,国内整体可以供应15%的国内IC(集成电路)需求量。但从大概2006年至今,供应量虽然加大了不少,但需求量也同步增加,国内IC自我供应的百分比依然维持在15%左右。政府也较为关心IC行业发展,希望在2025年前,国内IC行业的自给率能够达到至少50%。

而集成电路制造目前基本上是12寸,而且工艺都是40nm以下,2025年左右应该可以做到10nm甚至以下(尺寸)更先进工艺量产。其中,28nm在2017-2018年将会是主力,20nm的比重增加,而16nm和14nm难度很大,量产的数量还不太多,但预计2019年16nm和 14nm应该会大规模量产,28nm的产品工艺会转到16nm或14nm的工艺产品线,28nm工艺产量会慢慢下降。但是由于28nm是寿命较长的技术,2019年之后28nm工艺需求依然会很高,国家也因此希望加快研发并量产28nm的硅片(300mm大硅片),这是一个很好的机会。

d目前的问题在于,最上游的是设计公司,这在我们国内现在发展地相当不错,有几家公司都可以设计到16nm、14nm;但生产方面,上游材料 IC等级的多晶硅目前还没有,但马上就会有了,已经有几家企业在立项推进。多晶硅的原材料,高纯度的石英,目前已知的全世界的储量,中国最多,品质最好,但我们之前却是将石英还原成金属硅后低价外销,再高价进口多晶硅,并且石英还原成金属硅的阶段是高度污染的。好在之前太阳能产业带动了国内多晶硅产业的发展,目前太阳能等级的多晶硅,我国的产量已经是全球第一了。

太阳能等级的多晶硅纯度为99.9999%,总共6个“9”,现在做的好一点的在7-8个“9”而半导体等级要11个“9”,目前国内实验室可以做少量的半导体级的,但要做几吨单晶,目前还做不到。所以国家对此也很重视,02专项里就有立项解决半导体等级的多晶硅量产问题,预计大概在2-3年内可以做到11个“9”的多晶硅的量产,大致可以满足国内产业链的需求。

但是IC产业链中,多晶硅的下游环节:做成IC等级的晶棒和硅片,还是目前我们国家IC产业链缺失的重要一环。

目前,在产业链后端,国内IC Wafer Fabrication已经起来,封装测试海峡两岸已是全球第一,这方面大陆的进展比台湾还要快些;另外,产品组装已是世界第一,例如 iPhone;End-user consumers亦是全球第一。国内IC产业链后端很强,前端反而弱些。

现在300mm半导体级的硅片,国内一个月需求量约45-50万片,而目前国内的产量几乎为零,这是产业链上最为紧缺的一环。而这一环,全球日本生产的最多,日本信越和SUMCO,这两家的产能和实际供应量总和占全球2/3以上。300mm半导体级的大硅片,不仅是产业链缺失的重要一环,也是国家安全战略发展的需要。

国家在2012–2013年,科技部的02专项中,已有大硅片方面项目的经费准备,但迟迟不能发出项目,原因就是虽然有国内研发机构曾经做过 12寸大硅片,研发成功,但由于良率不高还不能量产。2014年,科技部02专项的领导也与我们沟通过,要求是不仅研发成功,更要量产成功。量产的概念不是几千片,是每个月10万片以上交付客户,连续6个月交付客户10万片以上,才算完成项目。