摘要:9月15日上午,“第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛”在上海正式召开。国产半导体硅片厂商上海硅产业集团(简称“沪硅产业”)旗下新昇半导体科技有限公司董事长李炜做了题为《从临港出发——中国大硅片发展现状》的分享。

9月15日上午,“第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛”在上海正式召开。国产半导体硅片厂商上海硅产业集团(简称“沪硅产业”)旗下新昇半导体科技有限公司董事长李炜做了题为《从临港出发——中国大硅片发展现状》的分享。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

△新昇半导体科技有限公司董事长李炜

芯智讯结合演讲内容以及近期半导体硅片产业相关研究及行业信息进行了相关整理如下:

一、全球半导体硅片产业现状:日韩及台湾厂商垄断

如果说半导体芯片是电子产业基石,那么半导体硅片就半导体芯片产业的“粮食”。根据研究机构的数据显示,在半导体生产所需的材料当中,半导体硅片材料的占比高达35%,是所有材料当中占比最高,同时也是最为基础的原材料。

根据 SEMI统计数据,全球 95%以上的半导体器件采用硅作为衬底材料。目前全球90%以上的芯片和传感器都是基于半导体单晶硅片制成的,它支撑了整个半导体产业和电子产品市场发展与革新。从目前及可见的未来来看,半导体硅片仍将长期维持其核心半导体材料的地位。

正是由于半导体硅片对于整个半导体芯片产业的重要性,因此,半导体硅片的自主可控也直接关乎到整个电子信息产业,乃至国家的安全。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

从半导体硅片的尺寸来看,全球半导体工业一直在不断增加使用的硅片直径,因为硅片直径越大,可用于制造的芯片数量就越多。自2008年经济危机之后,半导体产业开始越来越广泛的使用300mm(12英寸)硅片,覆盖了从0.13μm到最先进的3nm,未来甚至可以支持2nm/1nm制程。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

虽然一些领先的制造商对450mm晶圆生产的投资进行了探索,但半导体加工设备的制造成本显著提高,预期投资回报率降低,导致这种方法被放弃。

从供需结构来看,由于目前很多原本依赖于200mm硅片的成熟制程芯片也在向300mm硅片迁移,再加上持续增长的先进制程芯片需求,使得目前全球300mm硅片产能利用率保持在高位。根据SUMCO预测,2023 年产能利用率超过100%。300mm硅片供不应求的情况或将持续。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

另外,由于200mm 硅片具备成熟的特种工艺,主要用于模拟 IC、功率分立器件、逻辑 IC、MCU、显示驱动 IC、CIS 影像传感器等中低端半导体产品的生产。200mm 硅片需求也是持续稳定增长。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

根据预测数据,2016-2020 年间 200mm 硅片的需求量从460 万片/月增长至 574 万片/月,增长幅度较大的领域是智能手机和汽车电子。

由于近年来300mm晶圆厂已经成为主流,再加上上游半导体设备厂商也开始逐渐停产8吋设备,使得各晶圆厂对 200mm扩产较为谨慎,2017-2020 年全球 200mm 晶圆产能 CAGR 为 1.77%。而目前新能源汽车、车联网和工业互联网等领域的芯片,对于200mm硅片需求激增,全球200mm硅片产能已接近满产。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

从全球半导体硅片市场的格局来看,主要被日本、中国台湾及韩国等中国大陆以外的厂商所垄断。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

根据SEMI的数据显示,2020年全球半导体硅片市场,主要被日本信越(28.0%)、日本胜高(21.9%)、台湾环球晶圆(15.1%)、韩国SK Siltron(11.6%)、德国Siltronic(11.3%,已被环球晶圆收购)这五大家所占据。即便是中国大陆最大的半导体硅片厂商——沪硅产业集团,在全球市场也只有约2.2%的市场份额,不过这也是沪硅产业首度上榜。

二、全球晶圆制造大扩产,半导体硅片需求持续攀升

自去年下半年以来,全球晶圆制造产能持续紧缺,并且根据预测,产能紧缺的问题可能将持续到2023年,由此也推动了众多的晶圆代工厂商及IDM厂商纷纷新建新厂来扩充产能。

比如台积电目前正在建设其总投资超150亿美元的美国5nm晶圆厂,并且南京厂也开始了扩建,同时台积电还考虑在日本及欧盟建厂;三星也宣布投资170亿美元在美国德克萨斯州建一座先进制程晶圆厂;英特尔已宣布投资200亿美元在美国新建两座新的晶圆厂,近期还宣布将在欧洲新建至少两个技术领先的半导体工厂,投资规划预计将达到800亿欧元;格芯也已宣布投资60亿美元在美国、德国、新加坡三地进行扩产;中芯国际也已宣布联合投资方投资497亿元在北京建一座12吋晶圆厂(中芯京城),在深圳投资23.5亿美元扩产12吋晶圆,在上海临港投资88.7亿美元建一座新的12吋晶圆厂。此外,闻泰科技也投资120亿正在上海临港建一座12吋车规级晶圆厂,格科微也投资22亿美元正在上海临港建一座12吋CIS晶圆厂。

根据,国际半导体产业协会(SEMI)此前发布的全球晶圆厂预测报告指出,全球半导体制造商将于今年年底前启动建置19座新的高产能晶圆厂,2022年将开工建设另外10座晶圆厂,以满足通讯、计算、医疗、线上服务及汽车等广大市场对于芯片不断增加的需求。总计29座晶圆厂,达产后每月可生产多达260万片晶圆(约当8吋)。而这些新厂建成之后,无疑将会极大推动对半导体硅片的需求量。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

根据SEMI公布报告显示,2021年第2季全球硅晶圆出货面积环比成长6%,同比增长12%,达到3,534百万平方英吋(million square inch, MSI),已创下历史新高。

由于各大晶圆制造厂商的新建晶圆厂动工后,通常需时至少两年才能达到设备安装阶段,因此多数今年开始建造新厂的半导体制造商最快也要2023年才能启装,不过有些制造商可能提前在明年上半年就会开始相关作业,这也意味着最快明年下半年开始,对于半导体硅片需求将会持续快速增长,到2023年可能将会达到一个高峰。

根据SEMI此前的预测,到2021年300mm硅片的出货量将会达到接近600万片/月,2025年将会达到800万片/月。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

不过,上海新昇半导体科技有限公司董事长李炜表示,由于全球各大晶圆厂都在积极提升产能,对于半导体硅片的需求持续增长。目前300mm半导体硅片的出货量已经达到了700万片/月,仍不能满足市场需求,预计到2025年市场需求仍将会大幅超出SEMI的预测半导体硅片出货量。

三、大陆半导体硅片产业现状

由于大陆半导体硅片产业起步较晚,因此,从发展历程上看,相比国外厂商要落后不少。

李炜也表示:“沪硅产业集团做8英寸硅片跟国际上最早的8英寸企业相差了26年,12英寸方面稍微好一点,但也有16年的差距,所以对于大陆硅片产业来说是一个需要补课的行业。”

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

在李炜看来,现状中国大陆半导体硅片产业正在面临巨大的发展机遇。因为,整个半导体产业正处在第三次转移当中,第一次是从美国转到日本,第二次是从日本转移到台湾和韩国,现在第三次转移正在往中国大陆转移。

“我深刻认为第三次产业转移之后,就不会转到国外去了,因为中国大陆是一个足够大的市场。”李炜说到。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

特别是自中美科技战以来,在国家及地方政府的大力支持,以及资本的助推之下,国内半导体制造产业进入了高速发展期。

根据统计数据显示,目前我们已经投产的300mm Fab产线已经达到了26条,已宣布或者在建的300mm Fab产线还有17条,建成后大陆整体产能将超过200万片/月。

从投资额来看,国内官宣在建和规划中的300mm晶圆厂总投资额近7510亿元,算上已投产的,国内300mm产线总投资额将高达15000亿元。

对此,李炜认为:“我们认为现在300mm晶圆厂不要再来新的团队干了,老的团队,比如中芯国际倒是可以持续盖新厂,因为国内半导体制造业已经离开初创期,进入成熟期了,成熟的企业能够做更多的业务。”

前面提到,目前国内已经投产、已宣布或在建的300mm产线已经达到了43条,因此,对于300mm硅片的需求无疑是巨大的。再加上其他的8英寸、6英寸等产线的需求,中国大陆半导体硅片市场在全球半导体硅片市场的占比也在持续快速提升。

根据预测数据显示,在全球半导体硅片市场,2020年中国市场占比13.9%,2021年将增长至17.0%。而在2010年之时这一占比仅4.9%。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

从国内的半导体硅片产能来看,目前在100-150mm(4-6英寸)小尺寸硅片方面,国内已经能够实现自给自足。另外国产的200mm硅片也已初具规模,相比之下300mm硅片虽有突破,产能也在持续提升,但是,相对国内持续增长的巨大需求来说,仍存在较大的缺口。因此,国内的300mm硅片市场目前仍主要是被国外的半导体硅片厂商所占据。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

所以,从自主可控的角度来看,我们除了要解决300mm大硅片的卡脖子问题之外,还要从产能上保障国内对于半导体大硅片的需求。

李炜表示:“‘中国芯’正大规模扩产,从材料端保质、保量地满足快速增长的市场需求,刻不容缦!”

正因为国内巨大的市场需求,以及国产替代趋势之下存在着的巨大的市场机遇,也吸引了狂热的大硅片投资热潮。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

“目前做300mm大硅片的,国际上主要是那五大家,国内除了上海新昇之外,在国内地方政府和投资机构的积极参与之下,国内300mm大硅片项目曾一度接近20个,当然这其中很多可能不会最终真正落地,但是我们还是希望国内厂商能够保持一个冷静的态度。”李炜表示:“从我们自己的规划来看,我们希望在现有每月35万片200mm硅片的基础上,在临港实现100万片300mm硅片的月产能。”

“目前国内半导体硅片产业还是一群‘小舢板’,国际竞争力还比较缺乏。目前就300mm半导体硅片来讲,到现在为止,也只有我们实现了正片规模化量产,国内其他厂商的300mm半导体硅片厂虽然有测试片开始送样、认证、及销售,正片还未通过下游厂商及终端客户双重认证,仍有较长的路需要走。”李炜总结说到。

四、打造国产半导体硅片产业航母:沪硅产业

前面提到,中国的半导体硅片产业发展落后于国外十多年的时间,国外的半导体硅片产业已经经历了由百花齐放到产业整合的阶段,比如日本十年时间,半导体硅片企业从8家变成了2家,目前剩下的五大巨头(马上整合成四家了),已经成为了“航母”,而我们国内目前还有接近20家,相比之下还是一群“小舢板”,缺乏国际竞争力。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

在此背景之下,上海市政府和国家大基金把半导体大硅片作为三大重点任务之一,推进以后由上海市决定发起设立上海硅产业集团,希望以此为平台来打造国产半导体硅片产业的“航母”。

资料显示,上海硅产业集团股份有限公司成立于 2015 年 12 月,注册资本 18.6 亿元,主要从事半导体硅片的研发、生产和销售,是中国大陆规模最大的半导体硅片企业之一,是中国大陆率先实现 300mm 半导体硅片规模化销售的企业。自设立以来,突破了多项半导体硅片制造领域的关键核心技术,打破了我国 300mm 半导体硅片国产化率几乎为零的局面,推进了国半导体关键材料生产技术“自主可控”的进程。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

目前,沪硅产业旗下有三家主要的子公司:新傲科技、沪硅产业、Okmetic,此外还参股了法国的半导体硅片厂商Soitec。

其中成立最早的新傲科技的主要产品为 200mm及以下外延片和 200mm 及以下SOI 硅片(以 SIMOX 技术、Bonding、Simbond 技术和 SmartCutTM生产技术为主)。同时拥有国内唯一200mm RF-SOI生产线。此外,新傲科技还在布局300mm SOI研发中试线。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

据李炜介绍,目前新傲科技已向包括台积电在内的全球主流的晶圆制造企业稳定供货SOI硅片。

收购的Okmetic公司的主要产品为 200mm 及以下半导体硅片和 SOI 硅片(以 Bonding 技术为主)。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

上海新昇成立于2014年6月,是国内首个12英寸大硅片项目的承担主体,也是目前唯一获得国家重大项目支持的硅片公司,承担了国家02专项核心工程之一的“40-28 纳米集成电路制造用300毫米硅片”项目。

2015年,上海新昇一期厂房开工建设;2016年第一根晶棒下线;2017年第一片产品销售、第一片正片送样;2018年正片通过认证,达产10万片/月,同时无缺陷晶体研制成功;2019年,上海新昇在中芯国际和华虹通过了全列的几乎10个以上的认证,其中包括28nm逻辑制程,此外还有3D-NAND存储正片通过长江存储认证,第100万片产品下线;2020年先进逻辑制程认证通过,累计第200万片产品出货。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯
上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

据李炜透露,2021年上海新昇投入了二期30万片产能建设,今年6月份累计第300万片产品出货,到9月15日为止,已累计出货了约340万片。产品覆盖了外延片(逻辑器件: 14nm以上技术节点全覆盖并批量供货;模拟、影像传感器件:国内代工厂目前所需技术节点全覆盖并批量供货)、抛光片(存储类产品:19nm以上技术节点全覆盖并批量供货,涵盖DRAM、NAND、NOR等)。目前上海新昇的大硅片在中芯国际、华虹、长江存储等客户每家每个月出货都是在万片以上。目前上海新昇的300mm硅片正处于持续供不应求当中。

而上海新昇在300mm大硅片上的成功也离不开其在研发上是持续投入。李炜表示,2018-2020年间,上海新昇研发投入金额在整体销售额当中的占比平均维持在38.3%左右。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

在后续产能规划方面,预计今年年底将会建成第一期的30万片/月产能(目前已有产能是25万片/月),覆盖28nm以上工艺节点,兼顾20-14nm工艺节点;第二个30万片产能已经开工建设,希望到2024年建成达产,以20-14nm工艺节点为主,兼顾10nm及以下工艺节点,大幅缩小与国际五大家的规模差距。进一步扩大上海新昇国内和国外的市场份额。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

另外,上海新昇工厂北部还预留了100亩土地,未来进一步将产能提升到100万片/月。

李炜透露,根据我们的预测,到2025年国内300mm半导体硅片的需求将会达到200万片,显然上海新昇目前的产能确实的太少了。

“就我们现在这点量,未来可能连临港的需求都满足不了。现在落户临港的半导体制造企业也是越来越越多。所以我们必须要持续扩大产能。”

接下来,沪硅产业还将牵头建设国家级集成电路材料技术创新中心,联合产业链上下游共同进行关键基础工艺、设备、材料等联合研发及产业化。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

除了在300mm外延片、抛光片上布局之外,上海新昇基于沪硅产集团内部的大力协同,将共同开发300mm SOI技术。结合上海新昇的300mm大硅片技术与新傲科技和Okmetic的SOI技术,利用上海新昇现有的半导体设备及一些新增设备研发300mm SOI,计划是在今年年中提供样片。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

李炜透露,以前SOI结构中顶层硅(蓝色部分)和底部的高阻低氧衬底(黑色部分)以前都是靠日本企业来做,现在我们已经全部突破了,全部由我们集团内部来完成。解决了NPS顶层硅和高阻衬底禁运问题,确保300mm SOI衬底供应,真正实现自主可控。

上海新昇12吋硅片出货已超340万片!12吋SOI衬底已​实现自主可控-芯智讯

最后总结来说,沪硅产业在半导体硅片领域实现了产品尺寸、产品类型、应用领域、14nm及以上工艺节点的全面覆盖。作为大陆目前规模最大、技术最先进、国际化程度最强的国产半导体硅片企业,未来有望成为中国的半导体硅片产业“航母”,与国际半导体硅片巨头正面竞争。

编辑:芯智讯-浪客剑