晶圓材料簡介

1950年代初期以前，鍺是最普遍被使用的半導體材料，但因其能隙較小（僅0.66eV），使其操作溫度只能達到90℃，加上鍺的另一項缺點，是無法在表面提供一穩定的鈍性氧化層，反觀矽不僅能隙較大（1.12eV），使得操作溫度可以高達200℃，況且矽晶表面可以形成一穩定氧化層（SiO2），都讓矽在半導體的應用優於鍺，因為氧化層可以被用在基本的積體電路架構中，雖然GaAs被發現有比矽具有更高的電子移動率（electron mobility），且有直接能隙（direct bandgap），所以一度被寄與高度期待，可惜因高品質及大尺寸GaAs不易生產，因此仍無法撼動矽晶材料在半導體產業的地位。

目前半導體產業所使用的矽晶圓材料，依其製程設計和產品差異主要分為拋光晶圓（polished wafer）及磊晶晶圓（epitaxial wafer）兩種，其均由高純度電子級多晶矽經由長晶（crystal pulling）、切片（slicing）、磨邊（beveling）、磨面（lapping）、蝕刻（etching）、拋光（polishing）、清洗（cleaning）等步驟，而生成一符合電性、表面物性、雜質標準等規格的拋光晶圓，拋光晶圓如果再經由化學氣相沉積反應，成長一層不同電阻率的單晶薄膜，就成為磊晶晶圓，為因應半導體元件發展趨勢，目前還有所謂的先進矽晶圓材料，例如：熱處理晶圓（anneal wafer）、SOI （silicon-on-insulator）晶圓等，若在蝕刻之前經過不同thermal cycle（調整熱處理溫度、時間等）或摻雜N，使晶圓表面性質更佳，便是熱處理晶圓，SOI晶圓則是由矽及氧化矽作成三明治結構，適合應用作高速、高電壓或省電元件。整個矽晶圓材料的生產製造係以長晶製程為主軸，因為矽晶圓材料主要性質是由晶體生長過程所決定，後段加工製程則在於避免造成其他的污染源與缺陷。

矽晶圓材料長晶法又分為CZ（Czochralski）法與FZ（float zone）法，前法所長出的矽晶圓，主要用來生產低功率積體電路元件，FZ法生長出的矽晶圓，則主要用在高功率電子元件，隨著IC技術線寬日益縮小，矽晶圓材料的微缺陷，例如COP（Crystal Originated Particle）、D-defects，對製程良率的影響更為顯著，也勢必促使矽晶圓材料規格要求更趨嚴格。

全球矽晶圓產業概況

2002上半年矽晶圓材料市場需求曾出現短暫復甦，但第三季又呈現趨緩，證明上半年的榮景只是下游產業樂觀預期景氣回復，增加庫存而出現的假性成長，當然也不是所有的IC產品都成長不如預期，discrete及LCD驅動IC的需求增長就相當不錯，整體而言，2002年全球矽晶圓材料的需求量還是較2001年成長19％，達4784百萬平方英吋，合計145.6百萬片，如(圖一)。

《圖一 全球矽晶圓材料需求量預測》

如果再詳細分析各區域對矽晶圓材料的需求情形，如(圖二)，可以明顯看出日本與其他亞太國家已經是全球矽晶圓材料最大需求地區，同樣情形也反應在成長性上，以2002年為例，其他亞太國家矽晶圓材料需求量成長幅度為34.4％，其次是日本的20.4％，相對的，美國及歐盟的成長百分比都只有個位數而已。

《圖二 2002年全球矽晶圓材料需求量地區分佈》

不同尺寸別的分佈則整理於(圖三)中，從需求面積來看，8吋晶圓材料獨占鰲頭，佔有率超過一半以上，其次是6吋晶圓，若是從片數來分析，則6吋與8吋勢均力敵。

《圖三 2002年全球矽晶圓材料尺寸別分佈》

至於市場佔有率方面，日本信越半導體（Shin-Etsu Handotai）再度蟬連冠軍，亞軍的SUMCO則為住友金屬（Sumitomo Metal）與三菱材料（Mitsubishi Materials）矽晶圓事業部合併成立的新公司；值得一提的是，排名第9的Waferwork就是國內的合晶科技，其2002年營收成長近34％，由2001年的第12名躍升至第9名。

《圖四 2002年全球矽晶圓材料市場佔有率分佈》

若是從2002年的需求值分析矽晶圓種類分佈，則拋光矽晶圓（含prime及測試晶圓）佔了將近七成比例，其餘為磊晶矽晶圓（epitaxial wafer），前者2002年成長率有10.8％，後者則為7.6％。

我國矽晶圓產業概況

市場規模

我國2002年矽晶圓材料市場規模預估在289.7億新台幣左右，其中產值約115.6億新台幣，進口值為207億元、出口值32.8億元，自給率將近四成，近五年我國矽晶圓材料進出口情形整理如(表一)所示。

在價格方面，2002年各尺寸矽晶圓片全年平均價格如(表二)所示，如果再與2003年5月的價格相比較，可以明顯看出8吋及12吋矽晶圓片由於市場供過於求，目前仍是買方市場，價格仍再往下跌；反倒是6吋以下的小尺寸矽晶圓片，多用於生產分離式元件，其應用領域分佈極廣（包括電腦周邊、行動式電子產品、消費性電子、家用電器、通訊、汽車工業及武器系統等電源功率轉換、放大、切換等應用），每年市場需求相對其他半導體元件穩定成長，再加上全球主要矽晶圓廠多朝8～12吋大尺寸矽晶圓材料發展，對小尺寸矽晶圓採減產或退出市場策略，使小尺寸矽晶圓市場供需呈常態平衡，所以材料價格相對穩定。

表二 我國矽晶圓材料市場價格（單位:美元）

尺寸別 矽晶圓種類 2002年全年平均 2003年5月

6吋 25 20~25

8吋 磊晶片 75~80

熱處理 65~75

拋光片 空白片 55 45~50

測試片 25~28

12吋 350 300

廠商概況

我國生產矽晶圓的廠商約有10家，如(表三)；以目前主流之8吋與12吋矽晶圓分析，國內市場主要供應商排名，在8吋部分，分別為台灣信越、SUMCO、中德電子、Wacker與台灣小松，12吋依序仍是台灣信越、SUMCO與Wacker。中德電子與台灣小松是具備長晶、切片、研磨、拋光與清洗一貫製程的矽晶圓專業製造廠；台灣信越則只處理後段之拋光與清洗等製程。此外尚有合晶科技、中美矽晶、昇陽科技、尚志半導體與金敏晶研等多家廠商，分別生產拋光晶圓與再生晶圓等產品。以下就各廠商日前發展的現況分別敘述如後：

未來矽晶圓市場及產品發展趨勢

各區域成長趨勢

未來全球各區域矽晶圓需求量成長情形，美國由於三星、台積電集團、Infineon及Philips等國外半導體廠赴該國設廠，加上原有產能擴充，預估2003～2007年矽晶圓材料需求量之年複合成長率可以維持在9.5％左右；至於日本因為近年景氣停滯，半導體產業被迫重整、刪減資本支出或退出原經營領域，可是半導體技術又不斷精進，資本投資也相對龐大，可是半導體廠商已經很難從chip生產賺取足夠利潤來回收支出，因此智慧財產權、軟體與服務的加值或是委外生產，都成為產業發展趨勢，所以日本的半導體廠也勢必重新調整策略，可能委外代工與減少國內生產已是勢在必行，故而其2003～2007年矽晶圓材料需求量年複合成長率估計僅有6.8％，是全球各主要區域最低的，市場佔有率也將由2002年的31.4％降到27.7％，參考(圖五)。

歐盟受惠於Infineon、Intel、AMD、Motorola、TI、Micro等半導體廠的需求，預測2003～2007年矽晶圓材料需求量年複合成長率9.3％，與美國區域相當，亞太地區從2003下半年開始，矽晶圓材料需求會進入大幅擴張階段，市場需求及委外生產訂單彙集於此，加上歐美大廠積極與這區域相關半導體廠策略聯盟，都是主要的成長驅動力，其中台積電、聯電、三星等12吋晶圓廠產量增大，更大幅帶動對12吋晶圓材料的需求，預估亞太地區2003～2007年12吋晶圓材料複合成長率將高達34.8％，至於整體晶圓材料的複合成長率也有12.2％，居全世界之冠。

《圖五 2007年全球矽晶圓材料需求量地區分佈》

各晶圓尺寸發展趨勢

在尺寸別方面，雖然12吋晶圓材料需求不如原先預測那麼樂觀，但是根據Gartner Dataquest預估，未來至2007年晶圓材料主要的成長還是會在12吋晶圓，2004年應該就會邁入所謂12吋晶圓時代，其年複合成長率應該有將近51％，8吋晶圓材料只會在7.1％左右，其他尺寸別的成長不僅微幅，甚至還會是負成長（如3、4、6吋），只是一般國際知名市調單位預測，12吋矽晶圓材料需求量暴增的機會相當渺茫。

磊晶矽晶圓發展趨勢

磊晶矽晶圓是指在一單晶基材上長出一層薄膜，而這層薄膜的原子排列方式，延續基材的排列方式，如此會使矽晶圓比CZ拋光晶圓有較低的缺陷密度（D-defects、COP），使得生產良率提高，以2002年為例，磊晶矽晶圓約70％用於CMOS邏輯與flash記憶體產品、15％用於DRAM、其餘15％為discrete元件，特別是DRAM製程進到0.25(m以下，磊晶矽晶圓可以提高其產品良率與可靠度，所以其於DRAM的應用自1996年快速增加，但是磊晶矽晶圓的較高價格卻是其最大弱點，因此其他的競爭技術或產品，例如：hydrogen annealing、高溫熱處理矽晶圓、low-COP或COP-free CZ矽晶圓等便被發展出來，所以預測未來2003～2007年磊晶矽晶圓複合年成長率將近10％，並沒有較整體矽晶圓材料的9.5％高出甚多，估計屆時到2007年，磊晶矽晶圓仍有約71％應用於CMOS邏輯製造、17％於DRAM、12％於discrete元件。

SOI需求成長趨勢

近年來無線通訊需求快速成長，帶動高速、省電元件的需求，IBM於1999年成功將SOI（Silicon on Insulator）應用在其PowerPC產品後，SOI技術（特別是薄膜SOI）的新應用便不斷增加，除高速、省電元件，SOI也有用在高電壓元件，以及汽車、航空用高溫元件等，也由於其應用範圍突飛猛進，估計2002年SOI晶圓需求量成長在24％左右，近60百萬平方英吋，預測未來2003～2007年SOI晶圓複合年成長率會高達47％，尤其在12吋矽晶圓部分，咸信SOI將佔有一席之地。