六英寸晶圓，退出歷史舞臺？

半導(dǎo)體行業(yè)觀察·2025-02-27

硅晶圓市場轉(zhuǎn)向300毫米，6英寸衰落。

編者按：本文來自微信公眾號半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank），作者：杜芹DQ，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。

大約25年前，硅晶圓市場一半以上的份額是由直徑最大為6英寸（150毫米）的晶圓組成。根據(jù)行業(yè)組織SEMI發(fā)布的數(shù)據(jù)，如今這一比例不到5%。而隨著越來越多的硅片大廠逐漸砍掉6英寸廠，6英寸晶圓，一個時代的落幕已然有所端倪。

大廠逐漸拋棄6英寸

2024年3月22日，德國硅片廠商Siltronic AG宣布計劃逐步停止其博格豪森工廠的拋光和外延小直徑晶圓的生產(chǎn)，預(yù)計將于2025年7月31日徹底停止較小晶圓的生產(chǎn)。Siltronic目前生產(chǎn)的晶圓直徑為300毫米、200毫米，以及直徑小于150毫米的較小晶圓 (SD)。

“Siltronic的較小晶圓生產(chǎn)始于1968年的博格豪森。過去多年來，較小晶圓做出了貢獻(xiàn)。然而，由于結(jié)構(gòu)變化和創(chuàng)新，晶圓行業(yè)發(fā)生了重大變化。需求越來越多地轉(zhuǎn)向直徑更大、性能更好的晶圓，預(yù)計300毫米晶圓的年平均產(chǎn)量增長率為6%，而SD晶圓的生命周期即將結(jié)束。這導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降，最近對收益產(chǎn)生了負(fù)面影響，所以才做出此決定?！盨iltronic AG 首席執(zhí)行官 Michael Heckmeier 博士評論道。

小直徑晶圓約有 400 名員工，其中約一半是固定期限和臨時合同。Siltronic的目標(biāo)是通過人口結(jié)構(gòu)變化和部分退休以對社會負(fù)責(zé)的方式減少核心員工，并避免因運(yùn)營原因裁員。

而就在近日，全球第二大硅片廠日本的SUMCO也在2月10日宣布重組宮崎工廠200毫米及以下尺寸硅晶圓的生產(chǎn)。具體而言，200毫米晶圓生產(chǎn)將在2026年底前結(jié)束，生產(chǎn)將轉(zhuǎn)移至長崎和伊萬里等工廠；150毫米晶圓生產(chǎn)將轉(zhuǎn)移至印度尼西亞工廠；125毫米及其他晶圓生產(chǎn)將因盈利能力不足而撤出；單晶硅生產(chǎn)將繼續(xù)進(jìn)行，但晶圓加工將轉(zhuǎn)移到其他地點(diǎn)。受到重組影響的員工將被重新分配到300毫米晶圓的生產(chǎn)操作中。本次重組導(dǎo)致2024財年發(fā)生了總額58億日元的非經(jīng)常性損失，其中包括因庫存減值計提的46億日元損失，以及12億日元的其他虧損。

100毫米、125毫米、150毫米直徑晶圓的需求呈現(xiàn)下降趨勢（來源：SUMCO）

SiC巨頭WolfSpeed是全球最大的SiC襯底晶圓供應(yīng)商，去年也關(guān)閉了2座6英寸SiC廠，裁員20%。包括Wolfspeed、意法半導(dǎo)體（ST）和羅姆在內(nèi)的全球領(lǐng)先IDM廠商均開始量產(chǎn)8英寸SiC晶圓，以增強(qiáng)其競爭優(yōu)勢。

雖然前幾年也有不少廠商關(guān)閉6英寸廠，例如德州儀器、瑞薩、安森美出售等等，但是硅片廠商作為第三方供應(yīng)商，與IDM廠商相比，它們的生產(chǎn)調(diào)整更多地反映了市場需求變化與技術(shù)趨勢的直接反應(yīng)。無論是日本的SUMCO、Siltronic AG還是Wolfsppeed，他們在較小直徑晶圓片的生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，有幾個共同的因素：

一個是技術(shù)的轉(zhuǎn)變需要以及市場對小尺寸晶圓片需求的疲軟，越來越多的半導(dǎo)體制造商開始向更先進(jìn)的制程技術(shù)過渡，例如7nm、5nm甚至更小節(jié)點(diǎn)的制程。這些先進(jìn)的制程技術(shù)通常需要更大直徑的硅晶圓（例如300毫米晶圓）來提高生產(chǎn)效率和降低成本。從技術(shù)角度來看，300毫米晶圓的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使得小直徑晶圓的生產(chǎn)變得不再具備經(jīng)濟(jì)效益。

從市場需求端來看，除了AI驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心需求依然強(qiáng)勁以外，其他市場的需求復(fù)蘇仍然很緩慢，這種分化狀態(tài)可能還會持續(xù)。

另外很大的一個競爭因素是國內(nèi)晶圓廠的崛起，國內(nèi)近幾年圍繞著功率半導(dǎo)體領(lǐng)域在6英寸晶圓廠已經(jīng)相對成熟，競爭相對加劇起來。例如華潤微、士蘭微是國內(nèi)6英寸的佼佼者，華潤微目前擁有6英寸晶圓制造產(chǎn)能約為23萬片/月，士蘭微小于和等于6英寸的芯片制造產(chǎn)能中排在全球第二位。此外還有一眾6英寸的廠商，如方正微、上海先進(jìn)、燕東微、北一半導(dǎo)體、捷捷半導(dǎo)體等等。與此同時，大陸廠商近年來逐漸向8英寸和12英寸布局，將漸漸吞噬更大尺寸晶圓的市場份額。

Siltronic AG和SUMCO等大廠通過調(diào)整產(chǎn)能和優(yōu)化生產(chǎn)線，力圖維持競爭優(yōu)勢。這一現(xiàn)象不僅反映了市場規(guī)模的集中化，也可能意味著行業(yè)中的競爭壓力加大，廠商不得不更加注重效率和技術(shù)的創(chuàng)新。

了不起的晶圓尺寸進(jìn)化

半導(dǎo)體的發(fā)展歷史可以說與電路尺寸的縮小以及晶圓尺寸的增大相輔相成，一代技術(shù)依賴于一代工藝，而一代工藝依賴于一代材料和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。硅晶圓是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，也是所有電子應(yīng)用芯片的基礎(chǔ)。

硅晶圓首次應(yīng)用于半導(dǎo)體制造始于20世紀(jì)60年代初，當(dāng)時1英寸（25.4毫米）是標(biāo)準(zhǔn)直徑。1英寸晶圓實(shí)現(xiàn)了第一批集成電路（IC），但是每個芯片的晶體管數(shù)量有限，缺陷密度高，需要手動裝載到加工設(shè)備中，每片晶圓僅能生產(chǎn)少量芯片。

到20世紀(jì)70年代，行業(yè)轉(zhuǎn)向了2英寸（50.8毫米）和3英寸（76.2毫米）晶圓。他們相比1英寸，除了晶圓面積增加外，開始采用自動化晶圓處理方法，減少了缺陷，提高芯片良率。在10微米以上的最小特征尺寸下，每個芯片包含數(shù)十個晶體管。主要用于早期的微處理器和存儲芯片。

隨著個人電腦革命在20世紀(jì)80年代引爆硅芯片需求，進(jìn)一步的成本改善推動了4英寸（100毫米）晶圓的采用。這一階段開始，晶圓行業(yè)確立了數(shù)十年的晶圓尺寸標(biāo)準(zhǔn)。4英寸晶圓允許每個晶圓生產(chǎn)數(shù)百個芯片，芯片尺寸小于5毫米，實(shí)現(xiàn)了RAM和微處理器性能的提升，晶體管數(shù)量達(dá)到數(shù)十萬，特征尺寸常規(guī)縮小到2微米以下。

到20世紀(jì)90年代初，4英寸晶圓已將制造生產(chǎn)線推向極限。接下來行業(yè)開始轉(zhuǎn)向6英寸（150毫米）晶圓，當(dāng)時正值個人計算進(jìn)入其主流采用的最大階段，英特爾是引領(lǐng)轉(zhuǎn)型并為大量工作付費(fèi)的公司。6英寸晶圓進(jìn)一步提高了每個晶圓的芯片數(shù)量，設(shè)計規(guī)則降至1微米以下，0.5微米很常見，提高了DRAM密度和性能。這一時期，六英寸晶圓因其價格適中、工藝成熟，成為許多半導(dǎo)體廠商的首選。它廣泛應(yīng)用于內(nèi)存芯片、模擬芯片、功率器件、傳感器等多個領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的高速發(fā)展，六英寸晶圓作為基礎(chǔ)材料，支撐了當(dāng)時許多技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步。

直徑分別為 2、4、6 和 8 英寸的晶圓片（從左到右）。來源：維基百科

到21世紀(jì)初，8英寸（200毫米）的晶圓開始興起，IBM是研發(fā)的領(lǐng)頭羊。8英寸晶圓的表面積比6英寸增加了四倍。實(shí)現(xiàn)了90納米/65納米工藝節(jié)點(diǎn)，每個芯片包含數(shù)十億個晶體管。當(dāng)時領(lǐng)先的晶圓廠產(chǎn)能只集中在少數(shù)IDM手中，代工廠和外包組裝/測試提供商也廣泛使用。PC平臺上千兆位以上的DRAM密度成為主流。

然后就是更大尺寸，12英寸（300毫米）晶圓成為當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)。12英寸比8英寸晶圓多2.25倍，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于10納米以下的FinFET節(jié)點(diǎn)，允許將1億多個晶體管封裝到單個芯片，允許常規(guī)創(chuàng)建包含100億多個晶體管的處理器/DRAM，也推動了2010年代后期的智能手機(jī)/移動革命。

自 2002 年左右以來，大多數(shù)新工廠都使用 12 英寸晶圓（300 毫米）。投資 300 毫米晶圓是否合理的標(biāo)準(zhǔn)不是工藝的產(chǎn)生，而是產(chǎn)量。例如，博世的德累斯頓工廠就是300毫米晶圓，盡管它主要服務(wù)于汽車行業(yè)，而汽車行業(yè)通常是采用傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。

從1英寸到8英寸再到12英寸，這種轉(zhuǎn)變代表著摩爾定律達(dá)到了一個顯著的產(chǎn)能水平，更大的晶圓一直是年復(fù)一年提供更強(qiáng)大、更實(shí)惠的半導(dǎo)體的關(guān)鍵載體。

在300毫米時，大量成本被轉(zhuǎn)嫁到設(shè)備公司身上，而他們要花很長時間才能收回投資。而如果要向下一代更大尺寸的晶圓過渡，也就是450毫米，設(shè)備公司仍然是主要的承擔(dān)者，他們需要在前期研發(fā)上投入巨額資金，而這些資金只有在銷售足夠多的工具后才能隨著時間的推移收回，他們是不愿意這么做的。

2012年，五家公司英特爾、臺積電、三星、格羅方德和IBM牽頭了全球 450 毫米聯(lián)盟 (G450C)，向450毫米進(jìn)軍。然而，2014 年，作為450毫米主要推動者之一的英特爾，由于晶圓廠利用率很低，晶圓廠42號空置，他們撤出了450毫米的資源，臺積電也退出了，設(shè)備公司暫停了開發(fā)工作，450毫米就此消亡。

因此，短時間內(nèi)，晶圓尺寸會停留在300毫米很久。1997年的一項(xiàng)舊SEMATECH研究表明，晶圓尺寸可保持生產(chǎn)約24年，以便每個人都可以收回投資。所以目前國際大晶圓廠都開始將產(chǎn)能集中于300毫米。

未來晶圓需求增長靠什么？

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，晶圓鍵合技術(shù)日益成為推動高性能和大容量芯片發(fā)展的核心技術(shù)之一，特別是在背面供電、HBM、3D NAND 和 3D CIS等領(lǐng)域。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了芯片性能，同時也大幅度增加了對晶圓的需求。

首先在邏輯領(lǐng)域，背面供電技術(shù)的提出和采用將會增大對晶圓的需求。背面電源通過將電源互連與前端互連分開，避免隨著技術(shù)縮小而增加的互連電阻。這一技術(shù)要使用2到3個晶圓來實(shí)現(xiàn)更高效的電源管理和信號傳輸。

在DRAM領(lǐng)域，HBM會隨著AI芯片的需求快速增長，堆疊8至12層DRAM芯片放置在控制邏輯上方，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的芯片面積、更大的存儲容量以及更高的處理速度。根據(jù)SUMCO的統(tǒng)計預(yù)測，預(yù)計2023-2027年高端DRAM和HBM晶圓的需求將繼續(xù)增長，年均復(fù)合增長率（CAGR）為7%。使用EUV的DRAM晶圓要比沒有EUV技術(shù)的DRAM需求高一些。

DRAM對300毫米晶圓的需求趨勢（來源：SUMCO 2024財報）

晶圓鍵合技術(shù)未來幾年內(nèi)在NAND的生產(chǎn)中也會越來越重要，特別是在滿足高性能和大容量存儲需求的過程中。通過將分別制造的內(nèi)存元素和控制電路進(jìn)行鍵合，形成一個完整的NAND芯片，從而減少了互連長度并提高了速度。在此過程中，使用兩片晶圓（內(nèi)存和邏輯）結(jié)構(gòu)將成為主流技術(shù)。預(yù)計2023-2027年期間，晶圓鍵合的需求將保持增長，年均復(fù)合增長率（CAGR）為6%。

（來源：SUMCO 2024財報）

在CIS領(lǐng)域，晶圓鍵合技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。通過將光電二極管與邏輯/ADC或邏輯/ISP堆疊，可以最大化光電二極管的面積，并提升視頻處理速度。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，CIS芯片的生產(chǎn)通常需要使用3個晶圓（光電二極管 + 邏輯 + 邏輯）。

結(jié)語

在現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的激烈競爭中，高效、低成本和快速迭代已成為核心目標(biāo)，這使得6英寸晶圓逐漸難以跟上行業(yè)發(fā)展的步伐。也因此，越來越多的制造商將生產(chǎn)線轉(zhuǎn)向更大直徑的晶圓，以適應(yīng)更先進(jìn)的制造工藝。不過，6英寸晶圓在一些傳統(tǒng)且對成本敏感的領(lǐng)域，如功率器件、傳感器和汽車電子等，仍然擁有相對穩(wěn)定的需求，這些領(lǐng)域的市場潛力仍能為大陸的6英寸晶圓帶來一波紅利。然而，隨著市場逐漸飽和，6英寸晶圓進(jìn)入“紅?！备偁幰咽沁t早的事，真正的長遠(yuǎn)競爭力則依賴于向8英寸、12英寸晶圓的轉(zhuǎn)型與升級。