強芯之夢003

上一期我們大致描述了一下半導體行業的景氣度和發展情況，從本期開始我們將分別聊聊半導體產業的各個環節。半導體行業是產業鏈非常長的行業，從硅晶片的製做直到晶元製造的完成，是一項資本和技術十分密集的行業。多年以來，困擾我國電子企業發展的問題可以用「缺芯少屏」來形容，其中「芯」指代以CPU、DRAM為代表的核心半導體器件，這些重要的半導體器件的生產至今仍然被英特爾、三星等國際半導體IDM巨頭所壟斷。進入智能終端時代以來，以AP、移動DRAM、NAND FLASH及各類模擬晶元為代表的半導體晶元成為整個市場新的需求動力，在這一浪潮中，我國大陸地區出現了以海思、展銳為代表的優秀的IC設計廠商，但晶元最為核心的製造環節仍然依靠台積電等晶圓代工業巨頭，例如目前火爆市場的加密貨幣晶元所需的代工製造部分仍由台積電一家獨大。因此造成我國大陸地區每年大量半導體器件進口的重要原因在於晶元製造這一重要環節過於依賴外資廠商。

回到2014年，那是被稱為中國半導體元年的年份，多位院士聯名上書要求國家重視半導體行業，就在那一年，國家集成電路產業基金成立，基金重點投資的方向選在了IC製造產業。一般來說，半導體業內通常有兩種生產模式，一種是以英特爾和眾多日系半導體廠商為代表的IDM模式，從晶元設計到製造封測全部由自家的工廠完成。進入20世紀80年代，伴隨著全球經濟格局的變動以及電子產業的轉移，這一模式開始出現動搖，日系半導體廠商停止了快速增長的步伐，其記憶體生產部分由韓系廠商承接，並於20世紀90年代實現了對日的反超，而晶圓製造部分則由中國台灣廠商承接。另一種是輕晶圓或無晶圓廠模式，以高通等IC設計廠商為代表，其只負責IC晶元的設計工作，製造環節由專業的晶圓代工廠如台積電完成，最後由專業的封測廠如日月光完成，最後再由IC設計廠商自己銷售給終端客戶。IDM廠商中，以三星、海力士為代表的韓系廠商佔據著記憶體這一重要的市場，以台積電、聯電為首的中國台灣廠商佔據著邏輯晶元代工這一市場，因此這兩大市場也是中國半導體產業必需攻克的市場，由此我們看到了這兩年來大陸地區12寸記憶體廠和邏輯晶元代工廠的開工建設大潮。進一步地，記憶體業務是三星電子業務的重中之重，而三星電子又是三星集團的核心部門，同樣地，在我國台灣省圍繞著台積電生存著大量的半導體廠商，因此攻佔記憶體和邏輯晶元代工這兩大高地，不僅實現民族工業的崛起，更能加強中國在亞洲地區的經濟地位，因此本期我們就著重談一談硅晶圓代工這個環節。

硅晶圓代工產業的發展要追溯到上世紀80年代，當時隨著半導體製程的發展，對技術的研發和設備的投資逐步加大，客觀上為晶圓代工市場的發展提供了可能，加之半導體行業具有明顯的周期性，一旦景氣度下滑，下游訂單量縮減，IDM廠商設備的產能利用率將出現下滑，間接對自身的財務狀況產生不利影響，因此隨著時間的推移，越來越多的IDM廠商如AMD剝離自身的半導體製造甚至封測業務，專註於晶元的設計研發和銷售。而與此同時，從IDM廠走出的眾多半導體精英們開始創業，組建IC設計團隊，但在投資半導體設備則遇到了資金上的困難，因此客觀上需要專業的半導體代工廠商，這一時期以高通、英偉達為代表的一批IC設計公司開始逐步壯大。在硅晶圓代工產業發展的歷史中，最重要的一個標誌性事件是1987年台積電的建立，其創始人張忠謀原為德州儀器副總裁，後任台灣工研院院長，其設立的台積電是一家專門進行硅晶圓代工的企業，就在同一年，台灣地區多家IC設計廠如瑞昱等相繼成立，促進了台灣地區半導體產業的發展，也使得IC製造這一行業進入新的發展時期。

下面我們先來看看半導體製造的工序流程，由於我們並非半導體專業出身，所以我們參考科學出本社出版的《半導體面面觀》這本書，將這本書中介紹的有關半導體製造工序流程的內容摘抄如下：

半導體IC的製做工序可分為前工序和後工序。其中前工序是指將晶體管等原件以及連接他們的內部配線鑲嵌到矽片上，這一工序又稱為擴散工序，由上百個步驟組成，占整個工程的80%左右。前工序又可分為FEOL（front end of line）和BEOL（back end of line）兩個過程，其中FEOL是將晶體管等原件嵌入到硅品上的工序，而BEOL是將原件間的配線連接起來的工序。

前工序中要的工藝主要包括成膜工藝（形成絕緣體、導體或者半導體的薄膜）、光刻工藝（利用照相技術將塗在這些薄膜表面的感光材料固化成設計圖案）、蝕刻工藝（根據形成圖案的感光材料確定內部薄膜形狀）、摻雜工藝（將部分p型或者n型的導電性不純物添加到硅基板表面）、CMP工程（通過製造工程的幾個步驟將設備表面完全平坦化）以及將以上各個工程產生的垃圾和雜質出去、清洗、乾燥的洗凈乾燥工藝等。

以最具代表性的CMOS-IC為例，FEOL的流程主要如下：（a）準備直徑為12英寸、厚度為775um的p型硅晶片；（b）清洗完硅晶片後，提高溫度，用熱氧化法使硅和氧反應，形成二氧化硅膜，接著講SiH4和氮氣通過氣相成長形成四氮化三硅膜；（c）在晶體表面塗上成為感光材料的光阻材料（PR），通過掩膜照射ArF激光，轉刻設計圖案。石英掩膜上的圖案由Cr薄膜形成，光阻材料上的頭型的尺寸為掩膜的四分之一。有Cr薄膜的地方激光被遮擋，沒有的地方可以透過激光；（d）通過顯影處理形成光阻材料的圖案；（e）用光阻材料製成的掩膜，一次將氮化硅膜、二氧化硅膜、硅表面蝕刻，在硅表面形成淺槽；（f）剝離光阻材料後，用CVD在晶片表面形成SiO2厚膜；（g）利用化學機械研磨，去除二氧化硅層，只在硅表面的淺槽里留下二氧化硅膜；（h）去除氮化硅膜後，通過光刻技術將一部分用光阻材料覆蓋，剩下部分的硅表面注入P離子，形成n阱。P離子會被PR膜阻隔，因此只進入沒有PR的硅表面；（i）感光耐蝕膜剝離後，把晶片表面的SiO2膜去除，重新用熱氧化法使絕緣膜在表面生產；（j）用CVD方法，使SiH4氣體在N2中熱分解，從而生成多晶體硅；（k）使用光刻技術，在多晶硅上形成柵極後，一部分用光阻材料覆蓋，剩下的部分注入p離子，同柵極整合後便形成了n溝道MOS晶體管的源極和漏極的n型領域。重複同樣過程，採用B離子注入，可以形成p溝道晶體管的源極和漏極的p型領域；（l）感光耐蝕膜去除之後，全面生成後的SiO2膜，通過有很強各向異性的刻蝕方法，在柵極的側面形成SiO2側壁；（m）p溝道側面用感光材料膜覆蓋，將砷離子注入阱壁，n溝道的MOS晶體管源極和漏極形成n+型區。重複同樣過程加入硼離子，p溝道MOS晶體管的液體和漏極就形成了p+領域；（n）用濺射法全面形成鎳薄膜，進行熱處理後，與硅以及多晶硅接觸的部分形成NiSi2，剩下部分還是以鎳的狀態存在；（o）浸泡在稀釋的弗酸里，鎳就會溶解，只剩下NiSi2，形成柵極和源極以及漏極區域表面的NiSi2膜的背面構造；（p）全部形成SiO2膜之後，根據CPM，使材料表面完全平坦化；（q）使用光刻技術和干法蝕刻技術，製做柵極和源極/漏極上的絕緣膜SiO2中的電極接用開口；（r）全部通過CVD鍍上厚厚的鎢膜之後，在通過CMP研磨，就會僅在電極介面中留有殘餘的鎢。這種埋入電極的方法就成為插頭式連接，有時也稱為鎢插頭；（s）全面使用濺射技術形成鋁膜之後，採用光刻和干法刻蝕技術在鋁膜上進行圖案複製，就形成了柵極和源極電極。這是第一層金屬配線的形成；（t）全面形成厚厚的絕緣膜，通過CMP平坦化之後，在SiO2膜上使用光刻技術和干法刻蝕技術形成第二層配線用的溝槽，及把第一層配線和第二層配線連接在一起的開口（通孔）；（u）Ti和TiN薄膜通過濺射形成之後，利用電鍍的方法，形成很厚的銅模；（v）利用CMP技術研磨表面，形成銅的第二層配線和埋入通孔的配線，這種配線構造就稱為嵌刻配線；（w）晶片的整體根據CVD技術，形成作為保護膜（鈍化）用的SiON。至此二層配線已經完成，重複t-v的過程完全平坦化後就會形成3層及以上的配線。

圖表 1 前工序概要

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

圖表 2 CMOS-IC主要製造工程（FEOL，第一部分）

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

圖表 3 CMOS-IC主要製造工程（FEOL，第二部分）

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

圖表 4 CMOS-IC主要製造工程（BEOL）

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

接下來我們在重點看看晶元製造中的幾個關鍵環節：

一是成膜工程技術。成膜工程主要有三種具有代表性的方法，分別是熱氧化法、CVD和濺射。熱氧化法是針對硅的特性的方法，是把硅置於高溫氧氣和水蒸氣形成的氧化性氣氛下，二氧化硅的膜就形成了。熱氧化二氧化硅膜具有絕緣耐壓力強、環流少、和硅的相接處界面的安定性高等特性，是別的材料不具有的優良性能。CVD法即化學氣相沉積法，其根據生產的所有膜的種類，供給必要原料氣體的物質，利用基礎表面的催化劑作用化學反應生產膜。根據導入反應器里的原料氣體、熱量、等離子體、光等能量，在表面吸附、脫離反覆操作，一部分被吸收，表面一邊移動一邊堆積形成。反應生成物變成氣體分離，被當做廢氣排放出去。濺射是與CVD相對應的PVD（物理氣相沉積）法中最具代表性的一種，PVD即是利用物理反應生成膜的製作方法。濺射的原理是向真空箱里導入Ar氣體，等離子體化激發出Ar+，Ar+向陰極方向的目標靶子碰撞，目標靶子的原子被敲擊，移動到對面的陽極晶片上。IC過程中，鋁、鈦、鎢等各種金屬材料的成膜過程都會使用濺射技術。在N2和O2等氣體氛圍中，目標靶子材料的氮化膜和氧化膜能夠生長，稱為反應濺射。

圖表 5 利用氧化爐的各種熱氧化方法

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

圖表 6 CVD構造原理模型和濺射原理

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

二是光刻技術，即利用銀鹽照相機的成像原理，在晶片表面塗上感光材料通過透鏡感光後，顯影處理固定成圖案的方法。光刻技術工藝分成塗抹、感光、顯影幾個部分。（a）塗抹感光材料：在晶片上完全加工好的材料薄膜上塗上薄薄的一層光阻材料感光樹脂。光阻材料在感光劑和感光樹脂溶解於溶劑形成的液體中，被光照射顯影部分是被去掉的正型，其餘部分為負型。（b）感光：抹上光阻材料的晶片，經過輕微小伙焙燒熱處理之後，裝配到小型曝光裝置中。小型曝光裝備採用機組透鏡，通過實際4倍大小的掩膜來縮小投影。一個原件曝光結束之後，底座會移動，曝光過程反覆進行，最後晶片就都曝光了。（c）顯影曝光結束之後的晶片，經過輕微熱處理之後就顯影了。顯影需要顯影劑，使用強鹼性顯影劑迴轉滴或者噴霧器噴。

圖表 7 縮小投影曝光裝置

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

三是蝕刻技術。用化學反應去除材料膜的方法稱為蝕刻法，蝕刻法有用氣體的干蝕刻法和用藥液的濕法刻蝕。具有代表性的是平行板型反應離子蝕刻法，在真空的容器中導入使平行平板相對應的必要氣體，如果在晶片下面的電極上加高頻電壓，等離子體激發生成分子、離子、電子。這種分子和離子與膜材料發生化學反應生成易揮發性物質，即通過濺射法刻蝕去除膜材料。在干法蝕刻中，為了提高光阻材料高精度加工的效率，要求光阻材料和材料膜的蝕刻速度之比要大，損傷和污染要少，刻蝕速度要快。考慮到這些，SiO2膜蝕刻要用到CF4，鋁膜的蝕刻要用到Cl2和BCl3的混合氣體。作為掩膜所用的光阻材料，干法蝕刻結束後，再做氧氣灰化處理，用有機溶劑分離除去。在濕法刻蝕中，在石英或特氟龍製成的蝕刻槽內儲存藥液，將晶片浸泡在裡面。現在，在把光阻材料作為掩膜的高精度蝕刻法方面一般都是用干蝕刻法，而弗酸和熱磷酸各向同性沒有損壞的濕法蝕刻，只應用在除去膜的一部分工程上。

圖表 8 平板型反應離子蝕刻法裝置模型

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

四是摻雜技術。在晶片的全部或一部分中加入p型或者n型導電雜質成為摻雜，其中具有代表性的方法就是熱擴散和離子注入。熱擴散法即把適應容器裝載的晶片放入擴散爐加熱的爐管中心中，充入雜質氣體。擴散爐保持800℃~1000℃的高溫，為了抑制熱變形和晶體缺陷，這個過程需要緩慢地進行。通過調節溫度、時間和氣體的流量來控制添加雜質的濃度和分布。離子注入發即被加速的離子通過物理方法從表面注入的方法。離子注入方法中，注入劑量決定了添加雜質的總量，注入能量的多少決定了注入的深度，這兩個要素需要精確控制。離子注入使用離子注入機來進行，根據注入能量的不同，分為低速、中速和高速離子注入，低速和中速是幾到幾十千電子伏，而高速是數百到數兆電子伏。

圖表 9 熱擴散法

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

圖表 10 離子注入機模型

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

五是晶片表面完全平整化技術。隨著配線數量的增加，IC表面的不平整性也增加，這會產生兩大嚴重問題。一是薄膜形成時段坡部分的覆蓋性會發生惡化，配線層斷線的開口很容易導致層間絕緣性能不良的缺點，同時也會產生成品率和可靠性的問題。二是在光刻技術問題上，會出現光阻材料膜的厚度容易變化、曝光點的焦點不重合、精細成像變的很困難等問題。為了解決上述問題，CMP技術誕生，即含有研磨粒的研磨液一邊在晶片表面流動，一邊用附著在研磨墊片上的迴轉拋光金屬來研磨附著在旋轉體上的晶片表面。CMP分為絕緣膜和金屬兩大類別，在絕緣膜系中，把為了分離元件的STI（淺溝分離）與金屬配線和金屬配線層間的絕緣膜作為對象。在金屬系中，把擠壓填埋接觸和網狀通道用的鎢銅嵌刻配線作為對象。

圖表 11 CMP裝置模型

資料來源：《半導體面面觀》、亨通偉德投資

六是清洗技術。清洗晶片有各種各樣的方法，一般分為化學上的分解去污法和物理上的機械去污法。使用藥液的化學方法是利用各種藥液的不同特性單獨或結合使用的。但在連接了金屬線之後的工程操作中，不能使用酸性溶液，而通常用有機溶劑（酒精或丙酮做溶劑）。另外晶片的清洗可分為單片清洗和間歇式清洗。而物理方法的清洗則是噴洒高壓純水的射流清洗和使用刷子的擦洗。另外使用非活性氣體冷凍顆粒的冷氣溶膠清洗和氣體與液體之間性質的液體超臨界清洗正作為新型興起方法為人們所研究。清洗之後的晶片用純水沖刷，去除殘留藥液，在離心力的作用下使其乾燥，這時就需要注意被稱為「水印」的局部殘留的薄層水膜。為了去除「水印」，可以應用IPA的「馬蘭戈尼乾燥法」和「旋轉移動乾燥法」。

從上述半導體晶元製造流程不難看出，半導體的生產需要一條非常複雜的流程，任何一個環節出現問題都會影響產品良率，如何能夠以較高的良率實現半導體晶元的量產是半導體製造廠商必須解決的難題，這也是為什麼我們國家能夠有很多成功的國防高精尖項目，而在半導體等基礎電子元器件上一直處於落後的原因，因為半導體不是光製造出來就可以完事兒的，是要以具有競爭力的成本量產出來。此外，半導體生產的一些核心環節所用到的設備和原料都處于海外廠商高度壟斷狀態，甚至有些設備還處於對華禁運，這對新進入半導體製造的廠商來說形成非常高的進入壁壘。

提到半導體行業，必然繞不開「摩爾定律」，即「半導體晶元上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍」，10年後這一定律改為「半導體晶元上集成的晶體管和電阻數量將每兩年增加一倍」，通常來說這個時間在18-24個月。此前半導體的發展大體上圍繞著這條定律進行，也可以說半導體廠商也在遵循著這條定律進行技術升級，但同時「摩爾定律」也一直面臨各種挑戰。進入21世紀以來，半導體製程從0.18um一路演進到7/5nm，並基本上遵循著晶元的設計尺寸按照新一代減小至上一代0.7的規律進行。但當製程從28nm向22/22nm節點邁進時，廠商面臨成本大幅上升的難題，其中一種解釋為EUV技術未能上市，現有22nm仍採用多重曝光技術，造成更高的成本。

圖表 12 IC設計成本越來越高（單位：百萬美元）

資料來源：International Business Strategies、集微網、亨通偉德投資

「摩爾定律」最先遇到的問題是「熱死亡效應」，當半導體製程進入90nm後，同樣空間內的硅電路數量急劇增加，加之硅電路里的電子移動速度也越來越快，從而使晶元產生更多的熱量，因此半導體廠商不在刻意追求電子的移動速度，也就是不在追求處理器執行指令的速度，而是給這個速度設置上限。另一方面，處理器執行指令的速度不能提升，但晶元的性能卻必須提升，為了解決這個問題半導體廠商對晶元重新設計，多核處理器出現，即每個晶元擁有更多的處理器。

進入28nm後，傳統的半導體硅CMOS工藝已經無法做到成本與性能之間的平衡，其極限在20nm，「摩爾定律」也有被質疑是否能夠繼續延續，因此需要新的技術來延續。英特爾作為全球半導體的領導廠商率先在22nm節點時推出了商業化的FinFET（鰭式場效應晶體管），以繼續延續摩爾定律。FinFET工藝是由美籍華人科學家胡正明教授提出的，是一種新的互補式金屬氧半導體(CMOS)晶體管，該MOS晶體管是在硅SOI電路板上形成的，在薄的FIN狀單晶硅層上，連接源極漏極，在柵極絕緣層和柵電極上覆蓋倒U字形散熱片。在這個FIN型MOSFET里，因為溝道的3各方向被柵極保衛著，晶體管的實際溝道幅度變寬，提升了可以使更多電流流動的溝道特性。自英特爾使用以來，台積電在其16/14nm、三星在其14/10nm、格羅方德在其14nm製程中均使用了該項技術。理論上FinFET的物理極限在7nm，但生產7nm或5nm，就需要用到EUV以降低這些節點的複雜性。

圖表 13 FinFET vs. planar

資料來源：International Business Strategies、集微網、亨通偉德投資

事實上，進入28nm節點後，每百萬邏輯門的成本並沒有降低，反而呈現增加趨勢，IBS認為這並不是一個合理的發展方向，更看好另一種名為FD-SOI（薄膜全耗盡絕緣底上硅）的工藝。

意法半導體的Laurent Remont指出：「與傳統的基板（bulk）CMOS製造工藝相比，FD-SOI能夠縮減製造工序和交貨期，可大幅降低成本。此外，晶體管性能強大是FD-SOI優勢，FBB（擊穿正向體偏壓）和更寬的電壓調節範圍是其獨一無二的特性。在晶元性能固定時，FBB和更寬的電壓調節範圍可降低功耗，或者當功耗固定時，FBB可提高晶元的性能。實際上FBB在一個晶體管內再形成一個晶體管，這種管內管技術只有FD-SOI才能實現，而FinFET則無法做到。」目前英特爾和台積電堅持FinFET工藝，格羅方德和三星則是FD-SOI的支持者，但這兩種技術並非完全對立，FD-SOI工藝技術到7nm節點時將發展到3D，即SOI FinFET工藝，二者殊途同歸。

圖表 14 FD-SOI工藝

資料來源：SEMI、亨通偉德投資

接下來我們看一下晶圓代工行業整體的發展情形，根據Digitimes的數據，2017年全球晶圓代工產值預計達到557億美元，同比增長6%，並預計2017-2022年全球晶圓代工產值將增加至746.6億美元，符合增長率為6%。Digitimes指出，未來5年晶圓代工產業的驅動力主要源於智能手機搭載IC數量的增加與對先進位程需求的提升，加上包括IoT、AR/VR、汽車電子、高效能電算等市場的發展。參考台積電18年最新召開的發說會，台積電錶示其17年業績的增長主要來來自三方面，即蘋果手機（蘋果手機搭載的晶元數量在增加且製程更先進）、HPC（以GPU、加密貨幣使用的ASIC晶元為代表的高效能電算市場）、IoT和汽車電子，基本上可以看出未來半導體市場的主要需求動力。

結合台積電的18年法說會和Digitimes的研究結論，台積電7nm FinFET及EUV先進位程預計分別於2018年中與2019年導入量產，再加上中芯國際、聯電、Globalfoundries的擴廠計劃，2022年全球前四大純晶圓代工業者合計年產能將達6, 278.1萬片（約當8寸晶圓），2017年至2022年複合成長率將達7.1%。

圖表 15 全球晶圓代工產值變化與預測（單位：億元）

資料來源：Digitimes，2017/9、亨通偉德投資

從不同尺寸晶圓佔比來看，12寸晶圓仍將是市場主流，IC Insights發表的最新報告指出12寸晶圓截至2016年底佔據全球晶圓廠產能的64%，預期該比例將在2016至2021年間達到8%的複合年平均成長率，即71%以上。IC Insights進一步指出，全球12寸晶圓廠數量將從現在的98座增加到2021的123座。而SEMI的數據顯示2016~2021年間將有45座12寸新廠上線，而這個數字並不包括研發晶圓廠或試產線。8寸晶圓廠方面，其主要用於領域集中在MEMS加速度計、壓力感測器與致動器等「非IC」產品，還有聲波RF濾波器、數字投影機與顯示器應用的微反射鏡晶片，以及離散功率元件以及一些高亮度LED等等。

圖表 16 各尺寸晶圓在全球半導體產能佔據之比例

資料來源：IC Insights、亨通偉德投資

從製程角度看，28nm及以下製程已成為市場的主流，IC Insight的數據顯示全球28nm及以下製程佔比已經達到40%。目前全球晶圓代工領導廠商台積電已於2016年第四季導入量產10nm製程的晶元，並於2017年第二季對營收產生貢獻；7nm製程的晶元將於2018年6月量產，預計全年貢獻10%左右的收入；5nm製程的晶元預計2019年第一季度投產；3nm及以下製程正在進行研究。

圖表 17 2016年全球半導體純代工廠按製程劃分銷售佔比

資料來源：IC Insights、亨通偉德投資

從地區產能分布角度看，根據IC insights統計數據顯示，2016年全球晶圓製造產能為1705萬片/月（摺合成8寸），中國大陸地區為184.9萬片/月，佔比約為10.8%（這個數據不僅包括晶圓代工廠的產能數據，還包括IDM廠商的晶圓產能）。未來，根據SEMI的預計，2017年至2020年，全球將有62座新的晶圓廠投產，這些新增的晶圓廠以量產晶圓廠佔大多數，只有7座為研發或試產廠。62座新晶圓廠中將有26座新晶圓廠建在中國大陸地區，在新增晶圓中佔比達42%，2018年達到量產高峰，預計共13座晶圓廠投入營運。

圖表 18 2016年全球晶圓製造產能分布（單位：千片/月，摺合成8寸）

資料來源：IC Insights、亨通偉德投資

具體到廠商方面，台積電依然穩坐全球晶圓代工廠龍頭老大的位置，佔據著超過50%的市場。根據TRI的分析，格羅方德受惠於新產能的開出與產能利用率提升，2017年營業收入呈現年增8.2%的相對高成長表現；聯電於2017年量產14nm，在整體產能提升與產品組合轉換帶動下，實際營收年成長率達6.8%；三星則因採用其10nm產品的大客戶僅有高通，致使成長受限；我國大陸地區的中芯國際受限於2017年實際開出的產能有限與28nm良率的瓶頸未突破，使得成長率低於全球市場平均；高塔半導體及華虹宏力則透過產能擴增，在市場對8吋廠需求持續暢旺下，帶來大於10%的年成長；力晶則因調升代工業務比重，獲得了較高的成長率。另一方面，在5G與電動車的需求驅使下，晶圓代工廠也在積極地投入第三代半導體材料GaN及SiC的開發，如台積電提供GaN的代工服務及X-Fab公布SiC晶圓代工業務將於2017第四季貢獻營收。

圖表 19 2017年全球前十晶圓代工業者排名

資料來源：TRI、2017/11、亨通偉德投資

如果除去三星，只看純晶圓代工廠的排名，我國大陸地區晶圓代工行業的中芯國際能夠排在第四名，但從營業收入和凈利潤規模上看，離台積電還有很大的距離。進一步地，將營業收入按不同製程拆解，2017年四季度台積電28nm及以下製程貢獻了63%的營業收入；2017年三季度中芯國際28nm製程貢獻了7%的營業收入，雙方的差距還是較大的。

圖表 20 台積電（左）與中芯國際（右）各製程收入佔比

資料來源：觀研天下、中芯國際、亨通偉德投資

根據市場上的一些新聞披露，並結合台積電18年的發說會，2018年，台積電7nm製程將量產，生產基地在Fab12和Fab14第三期，預計強化版的7nm製程將導入EUV技術，其5nm製程生產基地Fab18將在南科正式動工，且一次規劃三期；三星規計劃2018年量產7nm，2019年陸續投入6nm和5nm研發；格羅方德使用了三星的14nmFinFET工藝授權，若製程微縮進展順利，2018年10nm處理器可望量產，2020年進入7nm世代。

大陸晶圓廠方面，中芯國際的28nm已經量產，但仍主要來自PolySiON製程，HKMG製程良率一直不佳，不過2017年梁孟松入職中芯國際後，市場對中芯國際的發展有了更多期待。多晶硅柵+氮氧化硅絕緣層（Poly/SiON）的柵極結構是傳統的工藝，而金屬柵極+高介電常數絕緣層（High-k）柵結構是較為先進的工藝。其中HK即High-k柵介電層技術，這是因為隨著線寬的不斷縮小，柵氧厚度也要不斷縮小，但又不能無限縮小，因為過薄到的SiO2層會出現明顯的隧穿泄漏，所以半導體廠商相繼採用了High-k，即使用高介電常數的物質替代SiO2作為柵介電層，而MG則是Metal Gate金屬柵極技術。

圖表 21 Poly/SiON工藝與HKMG工藝的比較圖

資料來源：和訊科技網、亨通偉德投資

其他大陸廠商方面，華力微次世代28nm PolySiON製程預計2018年下半導入量產，格芯的22nm FD-SOI製程將於2019年四季度導入量產。

目前，中國大陸地區的12寸晶圓廠（剔除記憶體晶圓廠和IDM廠）主要集中在中芯國際，其擁有北京廠2座和上海廠1座，月產能共計9.55萬片，其中北京的B2廠能夠生產28nm製程的半導體產品。上海的華力微也有一座12寸晶圓代工廠，月產能約3.5萬片。此外中國大陸地區還有台資的有聯電廈門廠1座，月產能約5萬片，初期以55/40nm為主；晶合投資20億美元的合肥12寸晶圓代工廠於2017年底投產，規劃月產能4萬片，主要為LCD驅動晶元代工，目前月產能為5000片。

在建的12寸晶圓廠方面（剔除記憶體晶圓廠），中芯國際仍是主要的擴產方，在上海、深圳及北京三地均有建廠，其中中芯國際投資675億元的上海晶圓廠將於2018年3月左右量產，規劃月產能7萬片，在製程節點上跳過22/20nm直接進入14nm；投資深圳的12寸晶圓廠17年底已經投產，規劃月產能4萬片；投資北京的2座12寸晶圓廠預計2018年上半年投產，規劃月產能7萬片。華力微電子投資387億的12寸上海晶圓預計在2018年底投產，規劃月產能4萬片；華虹宏力投資25億美元將在無錫建一座12寸晶圓廠，預計2019年投產，規劃月產能3萬片，主要製程為65-90nm；廣東粵芯投資70億的粵芯12寸晶圓廠已於2017年年底動工，規劃月產能3萬片。

外資及台資方面，台積電投資30億美元的南京12寸晶圓廠預計2018年7月投產，規劃月產能2萬片，以16nm為主；格羅方德在成都興建的格芯12寸晶圓廠投資90億美元，第一期預計於2018投產，規劃月產能2萬片，二期工廠將採用22nm FD-SOI工藝，預計2019年投產，規劃月產能2 6.5萬片；德科瑪將在淮安興建1座12寸晶圓代工廠，主要為CMOS感測器代工，規劃月產能6萬片；重慶萬國投資10億美元的重慶12寸晶圓廠預計於2018年投產，分兩期建設，規劃月產能共計7萬片，主要為功率半導體代工。

規劃的12寸晶圓廠方面（剔除記憶體晶圓廠），市場曾傳言中芯國際將在寧波興建2座12寸晶圓廠，實際上中芯國際確實與當地政府簽署了合作協議，但具體如何建廠等方面並沒有正式落地；紫光集團將在成都興建1座12寸晶圓廠。

接下來是8寸晶圓廠（主要以晶圓代工廠為主），據芯思想semi-news的統計，截至2016年年底，大陸地區共有23座8寸晶圓廠，其中中芯國際在上海、深圳、天津各有1座8寸晶圓廠，合計月產能在19.3萬片，同時中芯國際在義大利還有1座控股的8寸晶圓廠，月產能在4萬片；華虹宏力是由華虹NEC與宏力半導體於2013年合併而來，其在上海有3座8寸晶圓廠，合計月產能在15.5萬片，以90nm以上工藝為主；華潤上華在上海有1座8寸晶圓廠，月產能在6萬片；聯電旗下的蘇州和艦月產能在6.5-10萬片；台積電在上海有1座8寸晶圓廠，月產能在8.2-12萬片；先進半導體在上海有1座8寸晶圓廠，月產能在1.6-2.3萬片；中航微電子在重慶的8寸晶圓廠月產能在3-10萬片；德州儀器在成都有1座8寸晶圓廠，月產能在5萬片，以模擬晶元為主（本段部分數據轉自芯思想semi-news）。2017年，中璟航天投建的8寸晶圓廠在盱眙動工，主要為CIS晶圓廠。

就目前市場需求和技術上看，12寸晶圓廠及相關的先進位程節點，確實能夠受益高端晶元需求的增長，但結合我國大陸具體事情來看，8寸晶圓廠同樣具有機會，主要是IoT和汽車電子等新興半導體市場仍以8寸晶圓為主。根據WitsView的最新研究，受硅晶圓供給短缺以及8寸晶圓代工產能吃緊，晶圓代工廠商開始提高8 寸晶圓代工價格，預計18年一季度上調5~10%。WitsView進一步地對8寸晶圓市場的需求和供給進行了分析，指出在需求端集中在電源管理晶元、汽車電子晶元、指紋識別晶元、微控制器MCU、LED/LCD驅動IC、MOSFET功率器件等產品，其中指紋識別IC和智能駕駛IC等領域是8寸晶圓廠需求增長的主要動力。根據全球硅晶圓大廠SUMCO的估計，2016-2020年間8寸晶圓的需求量將從460萬片/月增長至574萬片/月，從絕對數量上看，汽車電子領域的增長數量最大，到2020年汽車電子對於8英寸晶圓的需求將佔據總需求的 33%，工業自動化則位居第事，占整個需求的27%左右。供給端方面，全球8寸晶圓產能短期較難大幅擴產，17年下半年開始8寸晶圓代工產能接近滿載， SEMI預計全球8英寸晶圓代工產能將仍2017年的540萬片/月提高至2020年的570萬片/月。

圖表 22 2016-2020年各領域8寸晶圓需求量(千片/月)

資料來源：SUMCO、亨通偉德投資

誠然，如此多的晶圓廠建設必定受到一些質疑，比如能否如期量產，是否有足夠的技術支持。這裡我們很難預測究竟哪家晶圓廠能夠實現很好的利潤，但建廠這件事必須去做，我國大陸地區的半導體產業是處於追趕者的角色，利用國家的資金力量去建廠是加速這一過程的重要途徑，如果國家不出動力量去建廠，單靠企業自身是難以實現的，只有通過建廠才能加速半導體製造產能向中國大陸地區的轉移。

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