小尺寸晶圆代工厂不会消亡

作者：Gäel Giusti博士, Vishnu Kumaresan博士，Yole Développement设备和材料 市场与技术分析师

本文探讨小尺寸（≤6英寸）晶圆的市场近年的发展情况，分析审视为什么相关的晶圆代工厂仍然能够继续蓬勃发展，并在全球市场争取到利基位置的原因。文章着眼于全球范围内的新兴参与者和应用，特别包括了对中国市场的深入挖掘。

近期关于晶圆代工厂故事的头条新闻可能是建造新晶圆代工厂的重大投资，例如英飞凌在奥地利的12英寸晶圆代工厂投资16亿美元，以及美国亚利桑那州台积电计划投资的120亿美元，但这并不意味着该行业正在抛弃6英寸及以下的晶圆代工厂市场。事实远非如此；目前全球大约有800家“1-6英寸”能力的晶圆代工厂，亚洲（464），美洲（187）和欧洲（136）。的确，有些制造商正在扩大产能到更大的晶圆直径，但小尺寸晶圆市场远未陷入困境，更不用说消亡了。

在基于CMOS的技术中集成模拟功能，已经达到了摩尔定律的物理极限。这使得出现了超越摩尔定律的器件发展，例如MEMS和传感器，CMOS图像传感器，电力电子器件和RF器件，这些同时集成了数字和模拟技术。

据报道，超越摩尔应用（其中模拟功能已集成到基于CMOS的技术中，并且可以使用非Si材料）的增长，可以部分归因于2019年至2025年小尺寸晶圆预计达+1.3%的复合年增长率，详见Yole Développement公司报告：6英寸及以下：2020年小尺寸晶圆市场趋势（6' and Below: Small-Dimension Wafer Market Trends 2020）。小尺寸晶圆市场中最主要的超越摩尔（More than Moore）部分，估计到2025年将达到56亿美元之多。

该报告预测，强劲的6英寸晶圆市场在2019-2025年间的复合年增长率为4.7%。整个1英寸-6英寸市场在此期间的复合年增长率预计为1.3%，预计2025年的收入为56亿美元。其中，按收入计算，2英寸市场的增长最快，主要受到InP销售的促进。

遍布全球的丰富多样的生态系统为晶圆代工厂提供了支持，其中包括原材料供应商（例如美国加利福尼亚的硅晶圆企业有限公司和台湾的艾德康科技有限公司）以及晶圆生产商，例如艾德康科技有限公司（Atecom），俄罗斯的MonoCrystal和中国的Pam-Xiamen（厦门博威新材料有限公司）以及德国的世创公司（Siltronic）。这些生产商直接向英特尔、格芯和台积电等晶圆代工厂供货，也向晶圆分销商供货，然后由晶圆分销商向晶圆代工厂供货，同时也向小规模研发机构提供晶圆，如imec 和Fraunhofer，大学，初创企业和中小型企业等。

晶圆分销商也分布在世界各地，例如亚太地区的Elma。在欧洲，有晶圆出口公司（Wafer Export），而在美国有Nova电子材料公司（Nova Electronic Materials）。

晶圆代工厂所用的晶圆的另一个来源是晶圆回收商。这些公司回收经过晶圆代工厂整个或部分工艺，但由于某种原因被丢弃的晶圆。例如，由于设计更改或光刻错误导致的废弃。这样的废弃晶圆的顶部层将被“去除”，而去除了顶部层的废弃晶圆可以返回晶圆代工厂，当作常规基板用于测试和验证。

如今，晶圆回收商往往关注于8英寸和12英寸的晶圆，因为回收“1-6英寸”的Si晶圆在经济上并不可行。但是，存在一个有趣的趋势，即非硅衬底回收市场正在增长，尤其是SiC和GaAs。与Si相比，这两种衬底仍然很昂贵，即使在6英寸及以下的尺寸下，回收这些晶圆在经济上也是可行的。

回收“4-6英寸”GaAs，GaN和其他非Si晶圆（除了蓝宝石之外）市场的增长也越来越快，所有这些晶圆通常都比Si晶圆贵得多。

供应链

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这些晶圆代工厂为苹果，三星，戴尔和华为等OEM厂家供应晶圆，但这些OEM可能还会使用封测公司（OSAT，外包半导体产品封装和测试）。例如，台湾的ASE公司和美国的Amkor公司，都通过集成和晶圆后端的步骤来支持晶圆代工厂。

尽管在6英寸晶圆中硅晶圆仍然占主要地位，尤其是在MEMS消费类应用中，但非硅晶圆市场有望在2019-2025年期间实现适度到强劲的增长。例如，SiC在此期间的复合年增长率预计为18.6%，2025年的收入估计为7.12亿美元。随着RF和功率应用过渡到8英寸和12英寸晶圆，预计同期只有Si晶圆会出现温和的下降，约为-3.3%。

行业整合

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最近几年业界收购整合很多，特别是在SiC市场，而在GaN方面整合程度则相对较小。近年来，意法半导体（STMicroelectronics）收购了Norstel，以推进其SiC业务，而Soitec收购了EpiGaN。2020年2月，全球最大的硅晶圆制造商之一SK Siltron收购了杜邦的SiC晶圆业务，这表明即使是大型的硅晶圆生产商也对超越摩尔的材料感兴趣，并希望其确保供应链的地位。

在强大的全球系统的支持下，全新的和折旧的晶圆代工厂继续运转并蓬勃发展。小尺寸晶圆市场则尤其得益于利用特定材料特殊性质的新兴的颠覆性技术，Yole Développement公司的Gäel Giusti博士和Vishnu Kumaresan博士如是说。

自2018年以来，还达成了几项备受瞩目的协议，例如Cree Wolfspeed公司向英飞凌科技公司的SiC功率产品以及意法半导体和安森美半导体提供SiC晶圆。Rohm的SiCrystal也向意法半导体提供SiC晶圆，而GT Advanced Technologies也于2020年3月签署了协议向安森美半导体提供SiC晶圆。自2020年6月以来，II-VI公司获得了GE的SiC技术许可，专门从事汽车和飞机市场的SiC器件。

除了新建厂房外，翻新设备和维护市场也很活跃，这进一步强化了”晶圆代工厂永不消亡”的论点。折旧的晶圆代工厂也代表了生产低成本、大规模器件的机会。尽管更高端的器件可以在新的8英寸晶圆代工厂中制造，但标准功率IGBT和MOSFET器件对6英寸Si晶圆的需求仍然很大。

在完全折旧的6英寸以下晶圆制造厂中，可以使用针对特定材料的工艺设备，或者可以适应不同材料和直径的工艺设备，包括4英寸和6英寸晶圆，以提供更具有成本竞争力的器件制造服务。

“足够好”

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小尺寸晶圆市场健康的原因有很多，不仅是良率与投资回报率“足够好”。换句话说，器件性能/每芯片制造成本的比率并不能完全解释大的资本性支出或与工艺变更相关风险的合理性。

这一价值主张与蓬勃发展的生态系统相结合，可为新兴应用提供服务，例如汽车和消费产品中的车辆电气化，RF，传感器，致动器和MEMS。

制造“1-6英寸”晶圆的成本很低。这使得它们对小型OEM和研究机构具有吸引力。因为对于小型OEM和研究机构而言，采用大晶圆制造设备的扩张成本已经证明可能是过高的。如果预计规模不会显著增加，则在小晶圆上保留小芯片尺寸也是具有经济方面意义的。对于一些晶圆生产商而言，扩大规模以生产更大的晶体所需的技术投资也可能过于昂贵。使用小尺寸晶圆的另一个优点是，至少在开始时，流程效益会随着晶圆直径的增加而下降。

材料选择

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“1-6英寸”晶圆的材料选择反映了不断发展的市场和最终产品。每种材料（蓝宝石，GaN体材料，GaAs，SiC，InP或LT/LN和Si）都具有可用于特定应用的物理特性。

SiC是新兴材料，吸引了大量的投资。几乎所有领先的电力电子和化合物半导体公司都深度参与了SiC基解决方案的开发。这将使SiC晶圆的生产直径达到6英寸甚至8英寸。这种尺寸增加在很大程度上是由于需要降低每平方英寸的SiC晶圆成本，以使其更接近传统的Si晶圆。

SiC因能够处理大电压并在高温下工作而倍受赞誉，使其成为可再生能源，全电动汽车以及燃动和混合动力汽车电气化的热门选择。由于其功率性能，6英寸及以下的SiC晶圆市场预计将从2019年的2亿美元增长到2025年的7亿美元，复合年增长率为18.6%。

InP市场也充满活力，并引起了AXT等重要公司的极大兴趣，AXT收购了Crystacomm来继续开发其6英寸InP晶圆产能。

由于技术原因，超过4英寸后，InP晶圆增大尺寸的难度大增。尽管用于数据通信应用的2英寸InP晶圆的批量生产仍然强劲，但生产厂商正在扩大3英寸和4英寸InP晶圆生产。

预计InP也将实现显著增长，从2019年的1亿美元增至2025年的2亿美元，复合年增长率为14.4%。这在很大程度上是由数据通信市场驱动的。InP的物理特性使其对于边缘发射激光二极管极具吸引力，例如在处理大量数据的数据中心中使用的那些激光二极管。在3D传感的精度方面InP虽然不如GaAs，但使用范围更广。InP使用在例如ToF传感器中作为深度映射，而不是作为面部识别。

GaAs晶圆市场也正经历着从4英寸到6英寸晶圆的转变，尽管4英寸晶圆上仍有大规模应用。这种趋势主要是由短距离3D传感应用推动的，这种应用在车辆驾驶员辅助系统的LiDAR系统和消费类设备的智能手机面部识别系统中都有采用。GaAs VCSEL技术主导了消费类3D传感市场。与InP相比，它用于更精确的3D传感应用。除了用于安全系统的车辆前摄像头和后摄像头之外，它还可以用于AR和VR感应，从而迅速扩大规模。

GaAs还可以用于microLED，特别是用于红色像素。2019年市场总收入为3亿美元，预计将实现8%的复合年增长率，并在2025年达到4亿美元。

GaN体单晶晶圆主要与光电应用有关，但是基于这种衬底的商业应用却不如SiC发展得好。GaN体材料的规模不大，其生产主要是针对需要非常高性能的特定器件或非常利基的应用。

蓝宝石主要用于街道和住宅照明的LED，以及作为消费类器件的LED。市场已从俄罗斯转移到中国，从而使Monocrystal成为俄罗斯唯一的生产商和全球市场领导者。蓝宝石价格已大幅下跌，只有少数参与者来为已饱和的LED市场提供服务。蓝宝石衬底的规模很大，每年有超过4000万片的4英寸等效晶圆之多。

MicroLED可能会推动蓝宝石销量的增长，尽管这不太可能在2024-2025年之前发生。当这种情况发生时（如果真的能够发生），蓝宝石的需求将会增加，尤其是针对6英寸晶圆。

命运的变换

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LT/LN(铌酸锂/钽酸锂)晶圆大批量生产，主要用于制造智能手机中的RF滤波器。这是一个庞大而饱和的市场，几乎没有增长空间。LT/LN晶圆的大部分是由日本的三家公司：住友，Yamaju Ceramik和Shin-Etsu生产的。这个市场牢牢地固定在直径为“5-6英寸”的领域。

但是该材料的市场主导地位正受到挑战，主要来自法国供应商Soitec的专利技术绝缘体上压电材料（Piezoelectric on Insulators, PoI）技术。它结合了LT/LN晶体薄层和5英寸或6英寸 Si晶圆，作为制造RF滤波器的替代方法。

硅似乎是唯一会在小尺寸晶圆市场上失去市场份额的材料。预计2019-2025年期间将温和下降3.3%，从22亿美元降至18亿美元。部分原因是超越摩尔器件的出现，以及一些大规模功率，MEMS和汽车器件的出现。

小于6英寸的Si晶圆仍有一席之地，大量的功率开关器件在这类晶圆上制造，比如IGBT和MOSFET，以及消费类MEMS器件。

中国特写

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中国生产大量的晶体和晶圆，主要是服务于其庞大的国内市场。或许最让人称道的是砷化镓和蓝宝石的生产。

中国公司可以满足某些应用的晶圆整个供应链需求，例如从晶体生产商广东先导先进材料股份有限公司（VITAL）开始，以及通过外延结构来提高附加价值的公司，例如英特磊科技股份有限公司（IntelliEPI）和全新光电科技股份有限公司（VPEC）。供应链的另一端是三安光电，它是国际知名的基于GaAs的器件厂商，同时它也是VCSEL的全球领导者。

特别是在GaN体材料方面，进展很快。相对来说较新的参与者镓特半导体科技(上海)有限公司（ETA Research Ltd.）提供了具有商业水准的先进解决方案，例如4英寸GaN自支撑衬底。

SiC和InP现已量产，仍然是服务于国内市场。尤其是，中国许多汽车制造商都使用SiC来制造电动和混合动力汽车。随着市场的增长，SiC生产商（例如山东天岳先进材料科技有限公司和天科合达）可能会成为重要的参与者。

如今，晶体质量和晶圆尺寸可能不如欧美产品先进，但预计在几年内，中国公司将在国际上销售这些晶圆。

InP需要专业知识来进行生产和扩大尺寸，但迄今为止，在这一市场的五个主要参与者中，中国就有三个，包括广东先导先进材料股份有限公司，这是中国在InP方面最先进的公司之一。

许多公司都在生产硅，其中最大的三个是赛维（LDK），环太集团和洛阳单晶硅集团有限责任公司，它们都服务于国内市场。

结论

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COVID-19大流行改变了全球每个人的工作生活和习惯。它对晶圆生产产生了重大影响，因此我们修改了先前的预测，新的预测是特定应用的产量下降约10%。预计产量将恢复，目前看已经开始缓慢上升，但恢复将是逐步的，在某些情况下，可能要等到2025年才能赶上2020年的预测。

尽管暂时放缓了生产速度，但仍有许多新兴技术需要低于6英寸晶圆上的器件，这些器件可能会继续推动市场前进。超越摩尔的应用代表了小尺寸晶圆市场的压倒性部分，小尺寸晶圆市场仍然会是一个充满活力的领域。

2019年，小尺寸晶圆市场占整个晶圆市场的63%，预计到2025年将占整个晶圆市场的53%。世界范围内具有“1-6英寸”能力的健康晶圆代工厂数量稳步增长，确保整个供应链安全的强大生态系统是保持市场健康状态的原因之一。

由于仍然具有成本效益，整个行业没有放弃小尺寸晶圆生产的迹象。它还支持创新，满足小批量，原型和研究以及批量生产的需要。

小尺寸晶圆的用途在动态的市场中。车辆的电气化依赖于SiC器件，当今汽车中的驾驶员辅助功能，最终自动驾驶汽车将依赖基于GaAs传感器和执行器的LiDAR系统来保护驾驶员，乘客和其他道路使用者。基于GaAs的传感器也适用于消费类和商用AR/VR应用，数据通信操作中对速度的要求，以满足对超快速数据处理不断增长的需求，这些是确保6英寸以下晶圆继续存在于市场的进一步的例子。

Gaël Giusti博士 是Yole Développement专注于半导体制造以及设备和材料的技术和市场分析师。作为Yole半导体与软件部门的一员， Gaël的专业知识涵盖薄膜生长及相关应用，设备，材料和制造工艺。加入Yole之前，Gaël在Sil'Tronix Silicon Technologies公司担任研发工程师长达5年之久，他负责升级CVD工艺，以开发用于RF应用的蓝宝石上外延AlN薄膜。他还曾在LMGP（法国格勒诺布尔）担任博士后研究员，从事光电应用透明导电薄膜的研究。Gaël拥有ENSICAEN（法国卡昂）的硕士学位，以及伯明翰大学（英国）的材料科学博士学位。

作者介绍

Gaël Giusti博士是Yole Développement专注于半导体制造以及设备和材料的技术和市场分析师。作为Yole半导体与软件部门的一员， Gaël的专业知识涵盖薄膜生长及相关应用，设备，材料和制造工艺。加入Yole之前，Gaël在Sil'Tronix Silicon Technologies公司担任研发工程师长达5年之久，他负责升级CVD工艺，以开发用于RF应用的蓝宝石上外延AlN薄膜。他还曾在LMGP（法国格勒诺布尔）担任博士后研究员，从事光电应用透明导电薄膜的研究。Gaël拥有ENSICAEN（法国卡昂）的硕士学位，以及伯明翰大学（英国）的材料科学博士学位。

作者介绍

Vishnu Kumaresan博士是法国Yole Développement半导体制造团队的技术与市场分析师。他专注于半导体制造领域，涵盖设备和材料领域。他的研究范围包括主流微电子应用以及超越摩尔定律的应用。他在电子行业拥有11年以上的经验，涉及半导体，显示器和软件技术。在加入Yole之前，他在microLED显示器行业的一家高级初创公司中担任外延工程师，并曾在IMEC，CNRS，Saint Gobain和Infosys公司有过从业经验。Vishnu拥有法国皮埃尔和玛丽居里大学的材料物理与化学博士学位，以及新加坡国立大学和德国慕尼黑技术大学的微电子学硕士学位。