半导体晶圆行业的现状

[{"attributes":{"color":"var(--weui-LINK)"},"insert":"半导体工程师"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"2023-09-09 08:48"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"发表于北京"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在消费和工业环境中，对于电子器件的需求不断攀升，因而导致了半导体晶圆行业的大幅度增长。由于新产品的推出、企业的并购、以及其他的一些近期发展，使得半导体晶圆行业的市场格局发生了重大的变化。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202309/22930dae004ee194.png"}},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"该行业近期一个值得注意的发展是对5G技术的需求日益增长。随着世界走向更加互联的未来，5G技术有望成为这个网络的支柱。因此，对用于5G技术的半导体的需求呈现指数级增长。台积电（TSMC）和三星（Samsung）等公司已经开始在其7nm工艺节点上生产5G芯片。最近的另一个发展态势是电动汽车（EV）的需求量增加。随着世界朝着更清洁的能源解决方案迈进，电动汽车变得越来越受欢迎。半导体是使车辆正常运行的必要组件，特别是在通常使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）的电力电子领域。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"这些持续增长的需求导致了半导体供应的短缺，尤其是那些在汽车领域中使用的半导体。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"日益增长的数字化需求从多个方面推动半导体行业的发展"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"半导体行业在推动电子、汽车和自动化等各个领域的创新方面发挥着至关重要的作用。随着数字化和电子迁移率（electronic mobility）需求的不断升高，作为许多微电子器件的核心组件，半导体硅晶圆变得越来越重要。伴随着各种“小玩意儿”的尺寸越来越小，人们还需要从单个设备中获得更多的功能，这意味着集成电路（IC）芯片应该纳入更多的晶体管，以便为实现额外的功能提供支持。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"为了满足这些需求，半导体代工厂正在投资于先进的封装技术，特别是那些基于硅晶圆的技术。研究人员目前正在考察在单片式3D集成电路的开发中使用二维材料作为硅的可能替代品，目的是提高晶体管密度。例如，台积电开发了一种被称为“衬底上晶圆级芯片封装”（chip on wafer on substrate，简称CoWoS）的技术，它具有世界上最大的硅中介层（silicon interposer），"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"尺寸接近2500mm2。该中介层可以容纳两个600mm2处理器和8个采用75mm2封装的HBM内存器件。半导体行业的这些进步和创新正在对下游技术产生重大影响。根据联合市场研究公司（Allied Market Research）最近的一份报告，预计从2021年到2030年，全球半导体晶圆市场将呈现相当可观的复合年增长率（CAGR）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"可穿戴式设备也将为市场供应商提供重要的增长机会，特别是在工业领域，它们有可能提高质量和安全性。西门子公司预测，工业可穿戴式设备的市场将非常可观。Zebra Technologies公司预计，到2022年，全球40%～50%的制造商将采纳可穿戴技术。此外，紧凑型电子设备的需求也在攀升，这导致人们期望增加单个小玩意儿所具备的功能和特性。因此，IC芯片将需要纳入更多的晶体管，以支持这些额外的功能。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"中国等新兴经济体纷纷出台和实施了有利于半导体行业的政府政策。这为半导体硅晶圆市场创造了重大的增长机会，预料在预测期内将继续扩大。此类政策的一个例子是中华人民共和国国务院发布的政策框架，该框架优先考虑在行业内开发先进的半导体封装解决方案。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"美国消费技术协会对美国消费技术销售和预测的研究预计，支持5G的智能手机将在2021年出现显著的增长，销量将达到210万部，收入超过19亿美元。"},{"insert":"同时，苹果公司已宣布计划，准备在2023年前为美国经济贡献3500亿美元，并通过与国内公司的新投资和支出，在未来五年内创造240万个就业岗位。考虑到苹果公司在消费电子行业的重要地位，其近期发布的信息预计将推升半导体硅晶圆的需求。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"各家公司推出的创新产品"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"新加坡-麻省理工研究与技术联盟（SMART）最近宣布，他们成功开发了一种制造包含高性能Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件的集成型硅Ⅲ-Ⅴ芯片的方法。"},{"insert":"虽然硅基CMOS芯片被广泛地用于计算目的，但是，当涉及到通信和照明领域时，它们就没那么高效了。这导致效率降低，发热量增加，造成5G移动设备变热并迅速关断。为了处理这个问题，必须将Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件与硅集成。然而，这一直是半导体行业需要克服的一个复杂挑战。SMART的成就是向着以商业上可行的方式解决这一问题迈出的重要一步。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"半导体晶圆市场的特点是快速创新，各公司接连不断地推出新产品以满足市场的需求。近期发布的一款值得一提的产品是英特尔的第11代酷睿处理器。此类处理器采用了英特尔的10nm SuperFin技术，有助提高性能和功率效率。这些处理器的推出引起了市场的转变，其他公司纷纷发布类似的产品。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"全球主要的半导体制造商之一台积电宣布，它计划在2021-2029年间投资120亿美元，在美国建设一座12英寸晶圆厂，此晶圆厂将使用先进的5nm工艺生产芯片。这表明北美地区的半导体产业呈现积极的增长趋势。此外，即使美国政治领导层从唐纳德·特朗普换成了乔·拜登，科技供应链从外国迁往北美的情况预计仍将继续，而后者此前曾鼓励外国公司在美国投资并创造就业机会。而且，美国拥有世界上一些汽车行业的主要参与者，他们正在电动汽车以及汽车自动驾驶潜力的研发方面进行投资。这刺激了半导体硅晶圆市场对高性能集成电路的需求。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"行业内引人注目的并购活动"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"由于各公司旨在拓展其产品范围和提高其技术能力，因此合并和收购在半导体晶圆市场上也变得很普遍。英伟达（NVIDIA）收购Arm Holdings就是这种合并的一个值得注意的例子。Arm Holdings是半导体知识产权的一家主要供应商，英伟达对该公司的收购将扩大自身在数据中心和人工智能领域的布局。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"2021年英特尔曾有意收购领先的半导体代工厂GlobalFoundries，通过收购GlobalFoundries，英特尔旨在增强其制造能力，并更好地与三星和台积电等业内的主要厂商展开竞争。虽然对于GlobalFoundries的收购没有成功，但这一举动非常值得注意。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"2023年6月，英特尔连续宣布了三项投资计划，包括将斥资逾300亿欧元(约合330亿美元)在德国马格德堡市建造两座芯片制造工厂，在波兰投资46亿美元建造一座芯片工厂，在以色列投资250亿美元建造一座芯片厂，总投资规模高达626亿美元，以恢复公司在芯片制造领域的主导地位，并更好地与竞争对手AMD、英伟达和三星竞争。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"另一方面，韩国SKSiltron公司近期宣布，它计划在未来三年内投资1.05万亿韩元，以扩大其位于龟尾国立工业园区第三区的300mm晶圆生产设施。GlobalWafers公司是世界一流的硅晶圆供应商，它于2022年开始扩建工作，计划于2024年启动大规模生产。该公司预计，由于这次产能扩张，其本地晶圆厂每月将增产大约20000片最先进的12英寸晶圆片。这家公司还预计，此次扩张还将使其在韩国、日本、中国台湾和意大利的工厂的产能增加10%～15%，从而满足用户对其产品的强劲需求。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"日本信越化学有限公司（Shin-Etsu Chemical Co. Ltd）最近宣布，将其所有有机硅产品的价格提高10%，而且它的业务领域也将在日本和全球范围内扩大。"},{"insert":"因此，价格出现大幅飙升，同时原材料采购和成品分销的运输成本也随之增加。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"二维材料：在计算机芯片之上制造薄型晶体管"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"麻省理工学院（MIT）的研究人员已经开发出一种新技术，可以直接在完全制备好的硅芯片上“生长”超薄的二维材料，从而能够制造出密度更高和功能更强大的计算机芯片。这是一项重要的开发成果，因为半导体芯片传统上使用难以堆叠的块体材料（bulk materials）来实现密度更高的集成。挑战在于，在硅片上生长二维材料的过程需要大约600℃的温度，这可能会损坏不能加热到400℃以上的硅晶体管和电路。麻省理工学院的跨学科研究团队通过开发一种不会损坏芯片的低温生长工艺，克服了这一挑战。该工艺允许将二维半导体晶体管直接集成在标准的硅电路之上。最新的技术能够在不到60分钟的时间内在整个8英寸晶圆上生长出一致的二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenide) TMD材料层，这意味着均匀地培养这些材料所需的时间大大减少。这种直接在硅晶圆上开发二维材料的新工艺是一项重大进展，因为它避免了从其他地方转移材料可能出现的缺陷，并能实现密度更高且功能更加强大的计算机芯片。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"研究人员专注于一种称作二硫化钼的二维材料，这种材料具有出色的电子和光子特性，适合用于半导体晶体管。这种材料是由夹在两层硫原子之间的一层钼原子组成的，它具有柔性和透明度。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"为了生长二硫化钼的薄膜，通常使用一种被称为金属有机化学气相沉积（MOCVD）的工艺。该工艺涉及将两种含有钼原子和硫原子的有机化合物置于超过550℃的温度下。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"这导致它们分解成更小的分子，随后在表面上结合形成二硫化钼链。然而，使用如此高的温度带来了挑战，因为它可能导致硅电路的退化，硅电路在400℃以上的温度下开始分解。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"研究人员已经为MOCVD工艺设计了一种新型炉管（furnace），该炉管包括两个腔体："},{"insert":"一个用于将硅晶圆置于低温下，另一个用于将前驱体加热到高温（550℃以上）。钼前驱体保存在低温区域（以防止损坏硅晶圆片），并在低于400℃的温度下分解。同时，让硫前驱体流入高温区，在那里分解，然后返回低温区进行化学反应，促进二硫化钼在晶圆片表面上的生长。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"专家们还开发了一种使用MOCVD工艺在硅晶圆片上生长二硫化钼的新方法。他们发现，将晶圆片垂直放置在炉管的低温区域，可以获得更好的材料均匀性，因为气体分子在芯片的周围旋转，并改善了材料的生长。另外，这种方法还比传统的MOCVD工艺快得多，生长一层所需的时间不到一个小时，而不是一整天。将晶圆片垂直放置，能确保它的任何部分都不会被热量所损坏，因为两端均不会太靠近高温区域。科学家们利用了先进的MIT.Nano的设施，在一个8英寸的硅晶圆片上展示了材料的优异质量和均匀性。这一成就对于需要更大晶圆片的工业应用具有重要意义。用于实现这一结果的工艺是非常高效的，因为它减少了生长时间，并可以很容易地纳入工业制程。此外，该工艺与低温硅相兼容，这使得在半导体行业中扩展二维材料的使用成为可能。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"技术人员希望改进他们的方法，并将其应用于开发相互堆叠的多层二维晶体管，以提高其功能和性能。他们还计划探索将低温生长工艺用于柔性表面，如聚合物、纺织品或纸张。该工艺的成功应用可以将半导体集成到衣服或笔记本等日常物品中。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"该项目的资金由多个不同的组织提供，包括美国国家科学基金会集成量子材料中心、爱立信、美国能源部、美国陆军研究办公室、MITRE、麻省理工学院士兵纳米技术研究所。该项目也受到台积电大学“穿梭计划”（TSMC University Shuttle）的支持。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"异构集成和Chiplet技术发展趋势"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"随着半导体工艺制程提升的难度越来越大，成本急遽增加，为了缓解这些挑战，由Chiplet这种小芯片叠加的异构集成技术，已经逐渐成为半导体行业发展的一种趋势。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"目前整个行业都在向Chiplet方向发展，并且由AMD、Arm、ASE、GoogleCloud、英特尔、Meta、微软、高通、三星和台积电等公司倡议于2022年3月建立UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）产业联盟，该联盟成立的目的旨在推动Chiplet接口规范的标准化，并已推出UCIe1.0版本规范。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"特别指出，中国本土企业所组成的Chiplet联盟最近也正式推出了中国自己的Chiplet互连接口标准。这个标准被称为ACC1.0（Advanced Cost-driven Chiplet Interface 1.0），由一批专注于芯片设计、IP以及封装、测试和组装服务的公司正在制定，中国Chiplet联盟的目标是确保ACC1.0成为中国芯片设计人员具有成本效益且可行的解决方案。近日，半导体初创公司Silicon Box在新加坡开设了一家耗资20亿美元的先进半导体制造代工厂，旨在推动Chiplet技术的采用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"Silicon Box专注于Chiplet技术，通过先进封装工艺将Chiplet小芯片组合在一起，这是一种经济高效形成处理器的方式，可以应用于从数据中心到家用电器的许多领域。近年来，随着芯片制造成本飙升，全球芯片行业越来越多地接受这项技术。人工智能公司推动了需求。Silicon Box表示，甚至在工厂开业之前，客户就已经在排队了。“这个新设施已做好准备，可以解决小芯片采用的独特挑战，这对于满足新兴技术的市场需求至关重要。我们专有的互连技术不仅可以缩短芯片的设计周期，还可以降低成本，降低功耗，并帮助人工智能、数据中心和电动汽车等行业合作伙伴更快地将产品推向市场。”Silicon Box 首席执行官 BJ Han说。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"Silicon Box凭借其专有的制造方法，以较低的成本和功耗提供设计灵活性和卓越的电气性能。他们使用5微米以下的技术开发了最短的互连，为半导体设计周期树立了新标准。这意味着该行业可以在整个半导体价值链中有效扩展基于Chiplet的解决方案。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"与传统方法相比，芯片设计人员可以以极低的成本获得双倍的计算性能。对于图形处理器和高性能计算芯片来说，成本最多可降低四倍。这是芯片行业的新范式，利益相关者可以集中精力增强这些模块化功能单元的性能优化。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"全球300mm晶圆厂2023年产能扩张速度趋缓"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"SEMI在《300mm晶圆厂展望报告-至2026年》（300mm Fab Outlook to 2026）中指出，全球半导体制造商预计2026年将增加300mm晶圆厂产能，达到每月960万片的历史新高。"},{"insert":"在2021和2022年强劲增长后，由于内存和逻辑元件需求疲软，预计2023年300mm晶圆厂产能扩张将放缓。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"SEMI总裁兼首席执行官Ajit Manocha表示："},{"insert":"尽管全球300mm晶圆厂产能扩张的步伐正在放缓，但半导体的长期强劲需求后续仍将推动产能增长。foundry、memory和power预计将是2026年新增产能的主要驱动力。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"在2022年至2026年的预测期内，芯片制造商预计将增加300mm晶圆厂产能，以满足需求增长，包括GlobalFoundries、华虹半导体、英飞凌、英特尔、Kioxia、美光、三星、SK海力士、中芯国际、意法半导体、德州仪器、台积电和UMC。这些公司计划将有82座新厂房和产线在2023年至2026年期间运营。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#9a9a9a"},"insert":"来源于ACT半导体芯科技，作者半导体芯科技SiSC"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-0)"},"insert":"半导体工程师"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"180篇原创内容"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"公众号"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#262626"},"insert":"赵工"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#262626"},"insert":"13488683602"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#262626"},"insert":"zhaojh@kw.beijing.gov.cn"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#262626"},"insert":"欢迎各公众号，媒体转载，申请加白名单秒通过"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]