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201908/07

国产硅片的追梦之路

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硅晶片是集成电路工业的基础,也是晶圆制造的核心材料。 
中国8英寸和12英寸晶圆的自供电能力较弱,高度依赖进口,这是集成电路产业链的短板。 
近年来,在政策的支持和行业的积极努力下,出现了一些优质企业。硅晶片的生产能力将在未来几年逐步落地,完成晶圆产业发展的寻求梦想的道路。  
硅晶片是半导体核心材料 \\ n  
晶圆是芯片制造的基本材料。由硅制成的晶片状物体通常由具有高纯度的晶体硅制成。 
与其他材料相比,晶体硅具有非常稳定的分子结构,产生的自由电子很少,导电率极低。通过光刻,蚀刻,离子注入等获得半导体器件,以改变硅的分子结构并改善其导电性,并最终获得具有较低导电性的产品。 
硅晶片的主要应用领域是半导体和光伏两个领域。差异主要在于类型,纯度和表面性质:  
半导体硅晶片都是单晶硅,太阳能中使用的硅晶片都是单晶硅和多晶硅;  \\ n  
半导体晶圆的纯度高达99.99999999N或更高,光伏要求低于99.99-99.99994N-6N;   
半导体晶片表面的平整度,光滑度和清洁度高于光伏晶片的平整度,光滑度和清洁度,并且需要随后的研磨倒角,抛光和清洁。  
半导体晶片的高规格要求使制造过程变得复杂。四个核心步骤包括多晶硅和多晶硅的铸锭,单晶硅生长和晶片切割。 
作为晶圆制造的原材料,晶圆的质量直接决定了晶圆制造工艺的稳定性。  
硅晶圆和硅基材料是核心材料的核心材料。晶圆制造。 
使用硅晶片作为基材制造90或更高的半导体芯片。 
 2018年,全球半导体晶圆市场为123亿美元,占晶圆制造材料的37%,为322亿美元,位居第一。  
多元化半导体晶圆,未来趋势根据加工步骤,硅片产品可分为五大类:抛光片,退火片,外延片,片状隔片和绝缘体上的硅片。 
其中,抛光片是最广泛使用的,最大量,最基本的产品,其他硅片产品也是在抛光片的基础上生产的。  ## #将抛光的片直接从单晶硅柱切割成厚度约1mm的原始硅晶片,然后抛光并镜面抛光,得到表面光滑的抛光表面,进一步净化,减少重量退火板通过将抛光板放置在充满氩气或氧气的高温环境中进行退火,这大大降低了抛光板表面的氧含量,从而使退火板退火。提供更好的晶体完整性和更高的半导体蚀
 demand。  
通过在抛光板表面上应用气相生长技术来施加外延晶片。
气相生长或外延,在抛光片的表面上外延生长单晶结构层,使表面比切割的抛光片更光滑,从而减少表面缺陷。  ## #通过在抛光片的基础上嵌入中间层,首先通过光刻,离子注入,热扩散技术等形成间隔物,然后通过气相生长在硅晶片的外部形成光滑的外延层技术,从而满足特异性。 
基板电气性能要求。  
 SOI芯片绝缘体上的硅晶片是夹层结构,最下层是抛光片,中间层是掩埋氧化层BOX,顶层是活性层和抛光片; BOX的存在使SOI板能够实现高电绝缘,从而减少寄生电容和
泄漏可以实现器件的高集成度,低功耗,高可靠性,顶层上的有源层也可以掺杂金属掺杂硅以实现不同的功能。  
大尺寸硅晶片已成为硅晶片未来的发展趋势。 
为了提高生产效率和降低成本,越来越多地使用大尺寸硅晶片,并且随着尺寸的增加,在单个硅晶片上制造的芯片数量增加;在圆形硅晶片上制造矩形硅。 
薄膜会使硅晶片边缘的某些区域被部分浪费,随着晶片尺寸的增加,损耗率会降低;这两者都会降低芯片的成本。 
例如,在相同的工艺条件下,300mm半导体晶片的可用面积是200mm晶片的两倍以上。可用率约为200mm晶圆的2.5倍。  
全球半导体晶圆市场巨大,12英寸硅晶圆存在供应缺口。 \\ n \\ n \\ n r \\ n 
半导体产业与全球宏观经济形势密切相关。 
晶圆行业受到2009年全球经济危机的影响,出货量和销售均下降。 2010年,智能手机的增长急剧增加。 
从2011年到2016年,全球经济逐渐复苏,但仍处于较低水平,晶圆行业也在低速发展。 
 2017年以来,受益于半导体终端市场的强劲需求,计算机,移动通信,固态硬盘,工业电子市场的下游传统应用不断增长,人工智能,区块链,物联网等新兴应用,汽车电子,快速发展,
半导体晶圆市场规模继续扩大,2018年突破100亿美元大关。
从2016年到2018年,销售额从72.9亿美元增加到114亿美元,平均年复合增长率为26;出货面积从107亿平方英寸增加到127亿平方英寸,复合年增长率为9; 
从0.67美元/英寸到0.9美元/英寸,复合年增长率为16.   
如前所述,目前的12英寸和8英寸硅晶圆被主流使用流程。 2018年,全球市场份额分别为63.3和26.3,占据近90.00。  
 8英寸硅片自2011年以来,
该份额在25-27之间稳定。 
 2016年,在汽车电子,指纹识别芯片和LCD市场爆炸性增长的推动下,出货面积同比增长15。除了汽车电子,工业电子和物联网的需求,再加上国内电力设备和传感器的制造。 
企业或IDM企业的产能转移从150毫米转移到200毫米。 8英寸晶圆的出货量持续增加,出货面积增加了6.    
自12英寸生产线于2000年首次在世界上开放以来,市场需求已经增加显着增加。 
 2008年,出货量首次超过8英寸硅片,2009年超过了其他尺寸硅片的总和。 
从2016年到2018年,由于人工智能,云计算和区块链等新兴市场的蓬勃发展,12英寸晶圆的复合年增长率为8. 
未来,市场份额为12英寸晶圆将继续增加。 
根据SUMCO的数据,未来3  -  5年全球12英寸晶圆的供需仍存在差距,差距将随着半导体周期的增加而增加。到2022年,每月将有1000K的差距。 
。  
全球半导体晶圆市场巨头垄断  
半导体产业拥有悠久的产业链,严格的质量控制和高技术壁垒。 
作为行业最上游,半导体材料面临严格的产品质量控制,面临长期研发周期和大量资金投入。 
此外,下游制造业客户的认证仍然是硅制造商的主要障碍。 
由于下游客户认证时间长,难度大,晶圆制造商往往需要长期积累的技术和经验,才能有效提高半导体材料的质量,满足客户需求,赢得客户认可,扩大客户群。 
 2018年,包括抛光晶圆,外延晶圆和SOI晶圆在内的半导体晶圆的全球市场占有以下市场份额:日本信越化学28,日本SUMCO 25,中国台湾通用晶圆14,德国Siltroni 14,韩国
 SK Siltron 10,前五大市场份额接近90,市场垄断。
 
 
Shin-Etsu Chemical(信越化学,日本)成立于1926年,是全球领先的化工企业,拥有六个业务板块,分别是PVC化工品、半导体硅、有机硅、电子功能性材料、特殊电子化学品和其他。在半导体硅业务方面,公司作为半导体单晶硅片的龙头,始终牢牢在技术层面占据行业制高点。公司最早于2001年,成功研制了300nm硅片,并实现了SOI 硅片的产品化,并能持续稳定地供应IC用硅片。目前,信越化工能够制造出11N(99.999999999%)的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅,在全世界处于领先水平,主要的半导体硅片产品包括12英寸硅片、IG-NANA退火硅片和SOI硅片。2018年半导体硅片业务营业收入为3803亿日元,营业利润为同比1319亿日元。
 
SUMCO(日本三菱住友胜高)主营半导体硅材料业务,是全球硅片龙头企业。其前身为成立于1937年的Osaka Special Steel公司。集团于1992年和1998年先后合并了Kyushu电子金属公司和Sumitomo Sitix集团,并于1998年更名为住友金属工业公司。1999年,住友金属工业与三菱材料和三菱硅材料公司成立联合硅制造公司,生产12寸硅片。2002年三菱硅材料公司与住友金属工业的硅制造部门、联合硅制造公司合并,并于2005年更名为SUMCO公司。主营产品包括单晶硅锭、抛光硅片、退火硅片、外延片、SOI硅片等,是全球最大的12寸硅片供应商之一,可提供12寸抛光片、退火片、外延片,SOI片和节隔离片可提供8寸片。2018年半导体硅片业务营业收入为3250亿日元,利润850亿日元。
 
从CR2的公司发展历程,我们看到其在硅产业积累时间较长,拥有几十年的历史,且其技术壁垒极高,单就SOI片而言,目前12寸只有个别公司攻克。因此,半导体硅片领域巨头垄断效应明显,巨头拥有极强的定价权。
 
中国半导体硅片的追梦之路
 
根据品利基金数据,2019年,中国6寸半导体硅片需求2000万片/年,8寸硅片需求1200万片/年,12寸硅片需求750万片/年。根据公开数据,我们对2018-2019年中国大陆半导体制造产线梳理,基于目前产能、未来计划产能、以及投资额度测算,制造厂对12寸硅片的需求:2019年约60万片/月,折合720万片/年。2023年需求约500万片/月,折合6000万片/年。
 
国产硅片的追梦之路
表1. 中国大陆半导体制造厂情况(2018-2019上半年)(数据来源:芯思想,Trendfore,公开资料,华夏幸福产业研究院)
 
2019年6月,6寸国产化率超过50%,8寸国产化率10%,12寸国产化率小于1%,且国产12寸片在国内晶圆厂中大都为测控片,正片的销售较少。考虑到下半年部分产能释放,2019年我国12寸硅片至少有500万片的缺口。
 
为了弥补半导体硅片的国产供应缺口,降低进口依赖度,我国迈出8寸与12寸大硅片的逐梦之路。最近几年内,多项重大投资正在启动中,大都锁定12寸硅晶圆。根据公开资料,我们对目前中国大陆8/12寸硅片产能梳理。未来4年,如果产能达产顺利,12寸硅片总规划月产能到2023年前后合计超过650万片/月,考虑到良率等因素基本可以满足国内制造厂需求。
 
国产硅片的追梦之路
表2. 大硅片产能供给情况
 
除了需要大量的投资以外,大硅片还有需要亟待解决的技术挑战,主要在以下四个方面:大直径、控缺陷、精抛光、少杂质。其中,大直径中的热场设计技术与磁场设计和控制技术是大硅片成型的核心技术;缺陷控制是决定硅片质量和纯度,是决定硅片等级的核心技术。
 
国产硅片的追梦之路
表3. 大硅片主要技术挑战
 
2015年底,国家集成电路产业投资基金耗资约8亿元,入股江苏鑫华和上海硅产业集团,在大硅片领域进行布局。近年来,上海新昇、中环股份、超硅半导体、浙江金瑞泓、有研半导体等大硅片项目纷纷上马,目标投资额超千亿。总额达2000亿的大基金二期募资正在抓紧推进,据悉其投资将向设计、材料、设备等倾斜,大硅片无疑也将成为重点关注对象。在强劲的需求拉动和美国的堵截挤压下,随着技术进步和资本持续推动,负重前行的大硅片产业逐梦之路必将迎来希望与收获!
 
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