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半导体材料系列三:单晶硅产品向300mm过渡,制造技术进一步升级

供稿人:马春  供稿时间:2005-9-19   关键字:半导体  硅材料  制造  
目前,全世界单晶硅的产能为1万吨/年,年消耗量约为6000吨~7000吨。未来几年中,世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势。
 
1、单晶硅产品向300mm过渡,大直径化趋势明显
 
随着半导体材料技术的发展,对硅片的规格和质量也提出更高的要求,适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。目前,硅片主流产品是200mm,逐渐向300mm过渡,研制水平达到400mm~450mm。据统计,200mm硅片的全球用量占60%左右,150mm占20%左右,其余占20%左右。根据最新的《国际半导体技术指南(ITRS)》,300mm硅片之后下一代产品的直径为450mm;450mm硅片是未来22纳米线宽64G集成电路的衬底材料,将直接影响计算机的速度、成本,并决定计算机中央处理单元的集成度。
 
Gartner发布的对硅片需求的5年预测表明,全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅片产量。据不完全统计,全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条,主要分布在美国和我国台湾等,仅我国台湾就有20多条生产线,其次是日、韩、新及欧洲。
 
世界半导体设备及材料协会(SEMI)的调查显示,2004年和2005年,在所有的硅片生产设备中,投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%,投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元,发展十分迅猛。而在1996年时,这一比重还仅仅是零(表1)。
 
表1 各种尺寸硅片的消耗量变化 (用量单位:百万片,面积单位:百万平方英寸)
尺寸
1995
1996
1997
1998
2002
1995~2002年平均增长率
125mm以下
用量
比例
80.9
35.1%
67.9
27.7%
62.6
24.4%
60.3
21.3%
54.0
12.3%
-5.6%
150mm
 
用量
比例
58.2
45.2%
56.7
41.4%
50.2
34.8%
52.1
32.4%
64.9
25.2%
1.6%
200mm
 
用量
比例
14.3
19.7%
23.8
30.9%
32.8
40.4%
41.4
45.7%
76.6
53.5%
27.1%
300mm
 
用量
比例
0
0%
0
0%
0.1
0.4%
0.3
0.7%
5.5
8.7%
122.9%
用量总计
154.1
148.5
145.7
154.1
201
3.9%
总面积(MSI)
3524
3751
3952
4408
6964
10.2%
注:1、300mm硅片的平均增长率所涉及的时间为1997年~2002年;2、表中比例是以面积计算的百分比。
 
2、硅材料工业发展日趋国际化,集团化,生产高度集中
 
研发及建厂成本的日渐增高,加上现有行销与品牌的优势,使得硅材料产业形成“大者恒大”的局面,少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。上世纪90年代末,日本、德国和韩国(主要是日、德两国)资本控制的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。根据SEMI提供的2002年世界硅材料生产商的市场份额显示,Shinetsu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%,垄断地位已经形成(表2)[4]
 
表2 2002年全球前10大硅片生产商市场份额
排名
生产商
市场份额
1
Shinetsu(日)
28.9%
2
SUMCO(美)
23.3%
3
Wacker(德)
15.4%
4
MEMC(美)
12.8%
5
Komatsu(日)
8.6%
6
Toshiba(日)
4.3%
7
LG Siltron(韩)
4.0%
8
Okmetic(芬)
1.0%
9
Wafer Works(台)
0.5%
10
ATMI(美)
0.3%
11
其他
0.9%
 
3、硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向
 
随着光电子和通信产业的发展,硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向。硅基材料是在常规硅材料上制作的,是常规硅材料的发展和延续,其器件工艺与硅工艺相容。主要的硅基材料包括SOI(绝缘体上硅)、GeSi和应力硅。目前SOI技术已开始在世界上被广泛使用,SOI材料约占整个半导体材料市场的30%左右,预计到2010年将占到50%左右的市场。Soitec公司(世界最大的SOI生产商)的2000年~2010年SOI市场预测以及2005年各尺寸SOI硅片比重预测了产业的发展前景(图1、2)[56]
         图1 2000年~2010年SOI硅片市场预测      图2 2005年各尺寸SOI硅片比重

4、硅片制造技术进一步升级
目前世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺,使制片技术取得明显进展。在日本,Φ200mm硅片已有50%采用线切割机进行切片,不但能提高硅片质量,而且可使切割损失减少10%。日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型,并向0.13μm以下的微细化发展。另外,最新尖端技术的导入,SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。对此,硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资,针对设计规则的进一步微细化,还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等,并对设备进行了改进。
 
 
[4] 上海市经济委员会. 世界制造业重点行业发展动态(2004-2005年版) [M]. 上海:上海科学技术文献出版社,2004:177~205.
[5] 上海市经济委员会. 世界工业重点行业发展动态(2003-2004年版) [M]. 上海:上海人民出版社,2003:137~156.
[6] 王家楫,王铮. 半导体硅材料技术与市场 [J]. 集成电路应用,2002,(9):9~15.
 

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