5G通訊技術興起實現物聯網(IoT)以及人工智慧(AI)的夢想。根據IDC最新「全球半導體技術和供應鏈情報」研究指出，2022年全球半導體營收預計將達到6,610億美元，繼2021年營收達到5,820億美元的強勁業績後，年成長率為13.7%。我們可預見5G技術將帶動遠端科技、智慧家庭、智慧製造、智慧醫療、汽車電子等需求持續提升，這些廣大的應用將使用大量的運算處理晶片、通訊用晶片、電源管理晶片、影像處理晶片等，使晶片製造業者，如台積電、聯電、世界先進等大廠訂單應接不暇，2021年炙手可熱的車用電子晶片更出現訂單供不應求、下訂單還需要排隊的情況，對於上游矽晶圓製造業者，如環球晶、合晶、台勝科等，也受到此波熱潮影響而受惠，因矽晶圓一直是半導體產業不可或缺的重要材料。
一、矽晶圓的產業鏈與應用概況
透過矽晶圓製程來生成粗矽，或稱不純矽(純度98%，冶金級)：SiO2+C=Si+CO2。再以鹽酸氯化並經蒸餾後，製成了11N的高純度多晶矽，再以柴可拉斯基法將多晶矽熔解，於溶液內摻入一小粒的矽晶體晶種，然後將其慢慢拉出，形成圓柱狀的單晶矽晶棒，因為矽晶棒是由一顆小晶粒於融熔態時的矽原料中逐步生成的，故稱之為「長晶」。而矽晶棒的直徑，即是矽晶圓的直徑。而晶圓在經過切片、邊緣研磨、拋光後即成為眾所週知的矽晶圓(如圖一)。目前主流晶圓的直徑為6吋、8吋、12吋矽晶圓，而當今許多用於物聯網和5G的元件或晶片，以及部分類比晶片、MEMS晶片、射頻晶片和感測元件等，皆是採用8吋晶圓來生產技術較為成熟之製程。12吋晶圓則是應用於最先進製程來生產最先端的CPU、GPU等晶片，但無論8吋或是12吋晶圓，皆是電子產品的重要關鍵原料。
矽晶圓廠的上游材料來源為多晶矽，製造多晶矽的大廠有：Hemlock(美國)、Wacker(德國)、REC(挪威)、東洋化工/OCI(韓國)、Tokuyama(日本)和協鑫集團/GCL(中國大陸)。矽晶圓材料的供應商有：環球晶圓(臺灣)、台勝科(臺灣)、合晶(臺灣)、嘉晶(臺灣)、信越化學工業(日本)、SUMCO(日本)、SK Siltron(韓國)、Siltronic(德國)。其下游客戶就是晶圓代工廠，有台積電(臺灣)、世界先進(臺灣)、聯華電子(臺灣)、美光(美國)、中芯國際(中國大陸)、海力士(韓國)、三星(韓國)、KIOXIA(日本)、GLOBALFOUNDRIES(美國)、Intel(美國)、旺宏(臺灣)、南亞科(臺灣)等大廠。已繪製整理產業鏈如圖二所示。
資料來源：ShinEtsu(2022)
圖一、Silicon Wafers
資料來源：工研院產科國際所ITIS研究團隊(2022/07)
圖二、半導體用矽晶圓材料上、中、下游產業鏈圖
二、小晶片技術的需求與發展
Chiplet-小晶片技術被視為延緩半導體摩爾定律的方法之一。因摩爾定律趨向2奈米、甚至1奈米邁進，恐已達物理極限，Chiplet技術將成為後摩爾定律時期的新機。所謂Chiplet技術是將原本單一晶片的處理器劃分成多個小晶片，如：存儲、計算、信號處理、I/O等功能晶片，最終再將它們連接成一個的晶片網絡。換句話說，未來可能將來自於不同製程、不同材料的個別晶片，一同置於Interposer基板之上，Interposer基板又稱為中介層基板；簡單來說，就是利用一個較大的矽片，再將各功能的小晶片安置於其上，並讓晶片間可以互相溝通的技術。
Chiplet技術(如圖三)將採用有別於以往的SoC設計概念，將原先整合的SoC的大尺寸晶片，分散至小晶片，以滿足高效能處理器的性能需求，此彈性的設計除了減少晶片開發設計的時程，也可以達到更好的良率與生產成本，因此不僅可以增加晶片設計業者的利潤外，還可以減少產品從開發到上市的時間，達到快速上市(Fast Time to Market)的目標。根據Gartner估計，2020年小晶片封裝市場規模約達32.7億美金，到2024年將擴大至約505億美金，足見市場需求龐大，主要應用市場為高階智慧型手機、筆記型電腦與伺服器。
資料來源：ASE(2022)
圖三、Chiplet Integration in HPC Applications
三、全球矽晶圓材料市場分析
全球生產矽晶圓之主要供應商，包括日本的信越化學和SUMCO、德國的Siltronic，韓國的SK Siltron以及臺灣的環球晶圓、台勝科、合晶、嘉晶；其中，日商信越化學和SUMCO產量合計全球市占率近五成。
2021年開始，已經有國家逐漸走出疫情的陰霾，經濟逐漸復甦當中，但仍有國家正在經歷疫情的考驗，觀察半導體晶片需求可以看出，邏輯晶片銷售市場主要為延續2020年需求上揚之姿，加上記憶體需求亦回溫，又汽車產業對車用電子需求逐步走強，網通相關設備與雲端運算系統需求亦顯著，使8吋、12吋晶圓供需緊張。
展望2022年，在雲端高階伺服器、HPC、車用電子的技術不斷演進下，預期市場對於各類晶片需求仍將保持成長態勢，半導體產業整體市場可望繼續擴張，惟須持續關注全球疫情、俄烏戰爭、通膨等變因。長期來看，由於5G、AIoT等技術與應用的普及，對於上游矽晶圓材料銷售量之預估仍屬穩定成長。
資料來源：富士経済(2022)
圖四、2020~2025年全球半導體矽晶圓需求量預估
四、國際大廠發展概況
矽晶圓製造廠商，主要為日商、韓商與臺商，如：信越化學(日商)、SUMCO(日商)、環球晶圓(臺商)、台勝科(臺商)、嘉晶電子(臺商)、合晶科技(臺商)、SK Siltron(韓商)、Siltronic(德商)等晶圓廠。2020年開始，因5G技術逐步成熟，帶動網通設備、HPC等應用之高階CPU、GPU晶片的需求持續攀升，又AIoT、HPC、車用電子應用需求持續增加，加上半導體產業對記憶體(3D-NAND)需求亦有增無減，種種因素加總起來，對各大矽晶圓製造廠皆是利多。
(一) 信越化學
信越化學是全球製造矽晶圓的第一大廠，會以長約方式和客戶簽訂合約，以確保彼此長期的利益，該公司除了矽晶圓材料以外，亦生產高階光阻劑，如EUV光阻劑，於半導體材料中具有領先地位。
(二) SUMCO
SUMCO公司亦會以長約方式和客戶簽訂合約，以確保彼此長期的利益，該公司也生產各式矽晶圓材料，含Polished Wafer、Annealed Wafer、Epitaxial Wafer、Junction Isolated Wafer、Silicon-On-Insulator Wafer，並於臺灣設立子公司：台塑勝高科技，簡稱台勝科，即是就近供貨給臺灣下游IC製造之矽晶圓公司。台勝科更於2021年底宣布，將於雲林麥寮台塑工業園區內投資新臺幣282.6億元，擴建新的12吋矽晶圓廠。這是台塑集團在半導體領域的一項重大投資，該廠預計在2024年投產。
(三) 環球晶圓
環球晶圓目前為全國第三大矽晶圓供應商，公司產品多樣化，有：Polished Wafer、Annealed Wafer、Epitaxial Wafer、SOI Wafer、化合物半導體材料。環球晶圓更為擴大產品線及產品定位、提高於全球布局能量、增加採購便利性、加速技術研發與達到更高的規模經濟效益，於2008~2016年，一共併購了四家公司，分別是：2008年收購Globitech、2012年收購Covalent Materials、2016年收購Topsil與SunEdison Semiconductors。
2021年收購德國矽晶圓大廠Siltronic未果，公司亦考慮進行多項現有廠區及新廠擴產計畫：含12吋晶圓與8吋FZ、GaN on Si等大尺寸次世代產品；擴產計畫涵蓋全球三大洲，分別為亞洲、歐洲和美國地區，預估新產線產品將從2023下半年開始出貨。
(四) SK Siltron
SK Siltron於2017年從LG手中收購LG Siltron，但因南韓所需的矽晶圓高度仰賴日本進口，故為了確保矽晶圓材料於全球的競爭力，於2019年宣布收購美國化學大廠杜邦(DuPont)的碳化矽(Silicon Carbide，SiC)晶圓事業，以鞏固南韓矽晶圓自製比例，並於2020年3月表示已完成對杜邦碳化矽晶圓事業部的收購事宜。
(五) 嘉晶電子
嘉晶提供100~200mm的磊晶矽晶圓產品，由基板到磊晶層的規格皆可依據客戶的元件特性進行設計與生產，並依據不同的特性與需求，設計適合的生產方式與相關製程條件。而今大家提及之磊晶矽晶圓片(Epitaxial Wafer)，主要是指在一拋光晶圓片，亦稱為基板(Substrate)，所長出的一層單結晶薄膜，而這層薄膜會在某個平面上進行規則排列的成長行為稱之。
(六) 合晶科技
合晶科技產品包括各種200毫米(含以下)的晶圓，如：拋光晶圓、磊晶晶圓、雙拋晶圓、研磨晶圓、蝕刻晶圓、超薄晶圓及SOI晶圓。並針對不同應用的元件特性，以本身的材料專業及由長晶至磊晶的整合技術，藉以達到客戶的需求。
合晶科技除了拋光晶圓之外，亦由集團內專責磊晶的上海晶盟提供各種摻質、各式濃度與厚度的磊晶晶圓，涵蓋元件應用領域包括功率元件、影像感測、類比元件、邏輯元件等，並可依客戶所需，提供埋層磊晶、多層磊晶的特殊服務。除了拋光晶圓與磊晶晶圓外，亦將開發多年的晶圓鍵合與相關技術，搭配自主生產的各類晶圓，製作成200毫米與150毫米的SOI (Silicon-On-Insulator)晶圓，並鎖定微機電元件、光學元件、類比元件等應用領域，以高度彈性的自主技術與材料，提供客戶所需之SOI晶圓。
公司於2022年和經濟部申請，預計斥資逾24億新臺幣在桃園龍潭科學園區的廠房增建無塵室及12吋智慧化矽晶圓生產線。
(七) Siltronic
2019年榮獲國際大廠INTEL認可為Preferred Quality Supplier(PQS)供應商。2020年與臺商環球晶圓談合併營運，以逐步實現成為全球領先的矽晶圓生產商之目標，兩家公司的產品組合於許多面向皆可互相補足，雖然最終沒有實現企業合併，但公司於2021年10月在新加坡淡濱尼晶圓園區舉行新廠房的動土典禮，並與新加坡經濟發展局(EDB)合作，預計到2024年底投資約20億歐元(相當於近30億新加坡幣)，以滿足全球不斷增長的半導體市場需求。
五、結論
臺商於全球矽晶圓產值排名第二名，除了可以滿足下游IC製造的需求之外，亦可銷售給世界其他國際大廠，使臺商在全球矽晶圓製造的地位顯得愈來愈重要，近年來陸商也開始加入研發矽晶圓製造的行列，預估未來將逐漸提高於矽晶圓製造市場之比重。
2020年起，因為5G技術逐漸成熟，雖毫米波技術尚未完全到位，但Sub-6G技術已經開始實行並已有應用產品問世，又該年度因肺炎疫情使市場對於宅經濟、遠端防疫科技產品需求提高，同步帶動伺服器、網通設備、與其相關的終端應用產品需求升溫；2021年延續2020年市場對於網通設備、HPC、車用電子晶片等高速運算晶片需求，使整體半導體產業產值持續上升，多樣化的終端產品應用皆需使用IC晶片，又諸多IC晶片產品皆由矽晶圓材料生產得之，因此，預估市場對於矽晶圓的需求仍會持續。日本、臺灣為矽晶圓製造兩大本營，皆在5G、AIoT、HPC、車用電子等產品需求商機中具備優勢。值得注意的是，2022年因受到中國封城、俄烏戰爭，及疫情升溫影響，使半導體產業出現雜音，惟須持續觀察與評估通膨對於消費性電子等電子產品需求的影響，方可對半導體製程相關材料做更精準的趨勢評估與預測。
▊新聞作者
工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫 產業分析師
▊資料來源
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