晶圆材料简介

1950年代初期以前，锗是最普遍被使用的半导体材料，但因其能隙较小（仅0.66eV），使其操作温度只能达到90℃，加上锗的另一项缺点，是无法在表面提供一稳定的钝性氧化层，反观矽不仅能隙较大（1.12eV），使得操作温度可以高达200℃，况且矽晶表面可以形成一稳定氧化层（SiO2），都让矽在半导体的应用优于锗，因为氧化层可以被用在基本的积体电路架构中，虽然GaAs被发现有比矽具有更高的电子移动率（electron mobility），且有直接能隙（direct bandgap），所以一度被寄与高度期待，可惜因高品质及大尺寸GaAs不易生产，因此仍无法撼动矽晶材料在半导体产业的地位。

目前半导体产业所使用的矽晶圆材料，依其制程设计和产品差异主要分为抛光晶圆（polished wafer）及磊晶晶圆（epitaxial wafer）两种，其均由高纯度电子级多晶矽经由长晶（crystal pulling）、切片（slicing）、磨边（beveling）、磨面（lapping）、蚀刻（etching）、抛光（polishing）、清洗（cleaning）等步骤，而生成一符合电性、表面物性、杂质标准等规格的抛光晶圆，抛光晶圆如果再经由化学气相沉积反应，成长一层不同电阻率的单晶薄膜，就成为磊晶晶圆，为因应半导体元件发展趋势，目前还有所谓的先进矽晶圆材料，例如：热处理晶圆（anneal wafer）、SOI （silicon-on-insulator）晶圆等，若在蚀刻之前经过不同thermal cycle（调整热处理温度、时间等）或掺杂N，使晶圆表面性质更佳，便是热处理晶圆，SOI晶圆则是由矽及氧化矽作成三明治结构，适合应用作高速、高电压或省电元件。整个矽晶圆材料的生产制造系以长晶制程为主轴，因为矽晶圆材料主要性质是由晶体生长过程所决定，后段加工制程则在于避免造成其他的污染源与缺陷。

矽晶圆材料长晶法又分为CZ（Czochralski）法与FZ（float zone）法，前法所长出的矽晶圆，主要用来生产低功率积体电路元件，FZ法生长出的矽晶圆，则主要用在高功率电子元件，随着IC技术线宽日益缩小，矽晶圆材料的微缺陷，例如COP（Crystal Originated Particle）、D-defects，对制程良率的影响更为显著，也势必促使矽晶圆材料规格要求更趋严格。

全球矽晶圆产业概况

2002上半年矽晶圆材料市场需求曾出现短暂复苏，但第三季又呈现趋缓​​，证明上半年的荣景只是下游产业乐观预期景气回复，增加库存而出现的假性成长，当然也不是所有的IC产品都成长不如预期，discrete及LCD驱动IC的需求增长就相当不错，整体而言，2002年全球矽晶圆材料的需求量还是较2001年成长19％，达4784百万平方英吋，合计145.6百万片，如(图一)。

《图一 全球硅晶圆材料需求量预测》

如果再详细分析各区域对矽晶圆材料的需求情形，如(图二)，可以明显看出日本与其他亚太国家已经是全球矽晶圆材料最大需求地区，同样情形也反应在成长性上，以2002年为例，其他亚太国家矽晶圆材料需求量成长幅度为34.4％，其次是日本的20.4％，相对的，美国及欧盟的成长百分比都只有个位数而已。

《图二 2002年全球硅晶圆材料需求量地区分布》

不同尺寸别的分布则整理于(图三)中，从需求面积来看，8吋晶圆材料独占鳌头，占有率超过一半以上，其次是6吋晶圆，若是从片数来分析，则6吋与8吋势均力敌。

《图三 2002年全球硅晶圆材料尺寸别分布》

至于市场占有率方面，日本信越半导体（Shin-Etsu Handotai）再度蝉连冠军，亚军的SUMCO则为住友金属（Sumitomo Metal）与三菱材料（Mitsubishi Materials）矽晶圆事业部合并成立的新公司；值得一提的是，排名第9的Waferwork就是国内的合晶科技，其2002年营收成长近34％，由2001年的第12名跃升至第9名。

《图四 2002年全球硅晶圆材料市场占有率分布》

若是从2002年的需求值分析矽晶圆种类分布，则抛光矽晶圆（含prime及测试晶圆）占了将近七成比例，其余为磊晶矽晶圆（epitaxial wafer），前者2002年成长率有10.8％，后者则为7.6％。

我国矽晶圆产业概况

市场规模

我国2002年矽晶圆材料市场规模预估在289.7亿新台币左右，其中产值约115.6亿新台币，进口值为207亿元、出口值32.8亿元，自给率将近四成，近五年我国矽晶圆材料进出口情形整理如(表一)所示。

在价格方面，2002年各尺寸矽晶圆片全年平均价格如(表二)所示，如果再与2003年5月的价格相比较，可以明显看出8吋及12吋矽晶圆片由于市场供过于求，目前仍是买方市场，价格仍再往下跌；反倒是6吋以下的小尺寸矽晶圆片，多用于生产分离式元件，其应用领域分布极广（包括电脑周边、行动式电子产品、消费性电子、家用电器、通讯、汽车工业及武器系统等电源功率转换、放大、切换等应用），每年市场需求相对其他半导体元件稳定成长，再加上全球主要矽晶圆厂多朝8～12吋大尺寸矽晶圆材料发展，对小尺寸矽晶圆采减产或退出市场策略，使小尺寸矽晶圆市场供需呈常态平衡，所以材料价格相对稳定。

表二 我国矽晶圆材料市场价格（单位:美元）

尺寸别 矽晶圆种类 2002年全年平均 2003年5月

6吋 25 20~25

8吋 磊晶片 75~80

热处理 65~75

抛光片 空白片 55 45~50

测试片 25~28

12吋 350 300

厂商概况

我国生产矽晶圆的厂商约有10家，如(表三)；以目前主流之8吋与12吋矽晶圆分析，国内市场主要供应商排名，在8吋部分，分别为台湾信越、SUMCO 、中德电子、Wacker与台湾小松，12吋依序仍是台湾信越、SUMCO与Wacker。中德电子与台湾小松是具备长晶、切片、研磨、抛光与清洗一贯制程的矽晶圆专业制造厂；台湾信越则只处理后段之抛光与清洗等制程。此外尚有合晶科技、中美矽晶、升阳科技、尚志半导体与金敏晶研等多家厂商，分别生产抛光晶圆与再生晶圆等产品。以下就各厂商日前发展的现况分别叙述如后：

未来矽晶圆市场及产品发展趋势

各区域成长趋势

未来全球各区域矽晶圆需求量成长情形，美国由于三星、台积电集团、Infineon及Philips等国外半导体厂赴该国设厂，加上原有产能扩充，预估2003～2007年矽晶圆材料需求量之年复合成长率可以维持在9.5％左右；至于日本因为近年景气停滞，半导体产业被迫重整、删减资本支出或退出原经营领域，可是半导体技术又​​不断精进，资本投资也相对庞大，可是半导体厂商已经很难从chip生产赚取足够利润来回收支出，因此智慧财产权、软体与服务的加值或是委外生产，都成为产业发展趋势，所以日本的半导体厂也势必重新调整策略，可能委外代工与减少国内生产已是势在必行，故而其2003～2007年矽晶圆材料需求量年复合成长率估计​​仅有6.8％，是全球各主要区域最低的，市场占有率也将由2002年的31.4％降到27.7％，参考(图五)。

欧盟受惠于Infineon、Intel、AMD、Motorola、TI、Micro等半导体厂的需求，预测2003～2007年矽晶圆材料需求量年复合成长率9.3％，与美国区域相当，亚太地区从2003下半年开始，矽晶圆材料需求会进入大幅扩张阶段，市场需求及委外生产订单汇集于此，加上欧美大厂积极与这区域相关半导体厂策略联盟，都是主要的成长驱动力，其中台积电、联电、三星等12吋晶圆厂产量增大，更大幅带动对12吋晶圆材料的需求，预估亚太地区2003～2007年12吋晶圆材料复合成长率将高达34.8％，至于整体晶圆材料的复合成长率也有12.2％，居全世界之冠。

《图五 2007年全球硅晶圆材料需求量地区分布》

各晶圆尺寸发展趋势

在尺寸别方面，虽然12吋晶圆材料需求不如原先预测那么乐观，但是根据Gartner Dataquest预估，未来至2007年晶圆材料主要的成长还是会在12吋晶圆，2004年应该就会迈入所谓12吋晶圆时代，其年复合成长率应该有将近51％，8吋晶圆材料只会在7.1％左右，其他尺寸别的成长不仅微幅，甚至还会是负成长（如3、4 、6吋），只是一般国际知名市调单位预测，12吋矽晶圆材料需求量暴增的机会相当渺茫。

磊晶矽晶圆发展趋势

磊晶矽晶圆是指在一单晶基材上长出一层薄膜，而这层薄膜的原子排列方式，延续基材的排列方式，如此会使矽晶圆比CZ抛光晶圆有较低的缺陷密度（D-defects、COP），使得生产良率提高，以2002年为例，磊晶矽晶圆约70％用于CMOS逻辑与flash记忆体产品、15％用于DRAM、其余15％为discrete元件，特别是DRAM制程进到0.25(m以下，磊晶矽晶圆可以提高其产品良率与可靠度，所以其于DRAM的应用自1996年快速增加，但是磊晶矽晶圆的较高价格却是其最大弱点，因此其他的竞争技术或产品，例如：hydrogen annealing、高温热处理矽晶圆、low-COP或COP-free CZ矽晶圆等便被发展出来，所以预测未来2003～2007年磊晶矽晶圆复合年成长率将近10％，并没有较整体矽晶圆材料的9.5％高出甚多，估计届时到2007年，磊晶矽晶圆仍有约71％应用于CMOS逻辑制造、17％于DRAM、12％于discrete元件。

SOI需求成长趋势

近年来无线通讯需求快速成长，带动高速、省电元件的需求，IBM于1999年成功将SOI（Silicon on Insulator）应用在其PowerPC产品后，SOI技术（特别是薄膜SOI）的新应用便不断增加，除高速、省电元件，SOI也有用在高电压元件，以及汽车、航空用高温元件等，也由于其应用范围突飞猛进，估计2002年SOI晶圆需求量成长在24％左右，近60百万平方英吋，预测未来2003～2007年SOI晶圆复合年成长率会高达47％，尤其在12吋矽晶圆部分，咸信SOI将占有一席之地。