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2019年中國半導體硅片現狀、各種尺寸硅片需求及國產硅片發展前景分析[圖]

2020年04月17日 15:28:58字號:T|T

    硅極少以單質的形式存在于自然界中,但在巖石、砂礫、塵土之中其以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在。在地殼中,硅是第二豐富的元素,其構成地殼總質量的 26.4%。

    晶圓制造是半導體產業中重要一環,生產過程中會涉及多種材料。2018 年全球半導體材料銷售額達到 519 億美元,增長 10.6%,其中晶圓制造材料和封裝材料的銷售額分別為 322 億美元和 197 億美元,同比增長率分別為 15.9%和 3.0%。根據細分產品銷售情況,2018 年硅片占晶圓制造材料市場比值為 38%,比重為相關材料市場第一位。所以,硅片作為半導體生產重要原材料之一,硅片制備技術將對半導體產業發展產生一定的影響。

    一、半導體硅片

    首先通過提純硅氧化得到多晶硅,其后通過單晶硅生長工藝得到硅片原始材料單晶錠,再通過切片、研磨、拋光等硅片制造工藝得到拋光硅片。通過對拋光硅片進行特殊工藝處理,可得到退火片、外延片等具備特殊性能硅片。

    單晶硅是由單一籽晶生長的單晶體硅材料,它具有晶格完整、缺陷和雜質很少等特點。根據單晶硅生長方式進行分類,可將其分為區熔單晶硅(FZ-Si)和直拉單晶硅(CZ-Si),其中所涉及的工藝為區熔法和直拉法。相較于區熔法,直拉法能支持 12 英寸等大尺寸硅片生產,而區熔法則用于 8 英寸及以下尺寸硅片生產。所以,直拉法是目前較為主流長晶工藝。

    直拉法主要工藝包括多晶硅原料裝料、多晶硅融化、種晶、縮頸、放肩、等徑生長和收尾等。直拉法制備工藝是通過加熱放置于坩堝內的多晶硅原料使其成為溶液,并通過安置在爐體上方的籽晶軸,使得單晶晶種能與硅溶液進行接觸。通過籽晶軸轉動和上下移動,硅液會沿著籽晶表面凝結和生長,最終形成單晶錠。隨著直拉法工藝不斷深入,基于基礎工藝的新工藝在持續開發,目前已開發出磁控直拉單晶生長、連續加料直拉單晶硅生長和重裝料直拉單晶生長等工藝。

    為滿足不同器件制備的要求,在晶體生長時需要摻入微量電學性的雜質(摻雜劑)。其中 P 型半導體,硼(B)是最常用的摻雜劑;而對于 N 型半導體,磷(P)、砷(As)和銻(Sb)都可以作為摻雜劑。除摻雜劑外,一般情況下在直拉過程中需要避免雜質引入,否則將影響單晶硅、器件的性能和質量。由于單晶硅生長情況對于硅片生產影響較大,所以單晶硅生長技術在硅片生產中是關鍵技術之一。

    硅片制造工藝實現從“錠”到“片”轉換。當完成單晶硅生長工藝后,需要通過硅片制造技術來實現硅片生產。根據生產流程,單晶硅錠需要通過切斷、切片、研磨、拋光、清洗五大步驟從而得到拋光硅片。其中,通過切斷得到適合切片的晶棒;切片是將晶棒切成具有一定厚度和平整度的硅片;研磨工藝,可去除硅片切片表面殘留的損傷層,并使硅片具有一定的幾何精度;拋光工藝,通過化學和機械作用,去除硅片表面殘留的微缺陷和損傷層,獲得硅拋光片;硅片清洗是去除硅片表面各種沾污。通過這一系列加工工藝后,可得到拋光硅片。

    拋光硅片是目前應用范圍最廣、最基礎的硅片,以拋光片為基礎進行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工藝是一個升溫再降溫的過程,通過將拋光片置于氫或氬氣中加熱,隨即進入到退火過程。與拋光片相比,其表面含氧量大幅減少,從而擁有更好的晶體完整性。外延片通常采用化學氣相沉積(CVD)技術,反應原理為硅的氣態化合物在硅片表面發生反應,并以單晶薄膜的形態沉積在硅襯底表面。SOI 硅片具有三層結構,自上而下分別為頂層硅片(SOI 層)、氧化層和硅襯底;目前,氫注入剝離鍵合技術(Smart-Cut)、硅片直接鍵合技術(SDB)和注氧隔離技術(SIMOX)是三個最具有競爭力的 SOI 制備技術;由于 SOI 硅片具有氧化層,從而減少硅片的寄生電容以及漏電現象。具有特殊性能的硅片能滿足不同應用場景需求,是半導體產業中不可或缺的一部分。

    二、硅片尺寸

    隨著單晶硅制造技術提升,硅片的尺寸在逐步提升。硅片尺寸從最初 2 英寸,到 4 英寸,5 英寸,6 英寸,8 英寸,再到 12 英寸,其尺寸在持續增加。目前,硅片發展史具有多種表述。其中,據 SEMI 相關產品數據,4 英寸硅片產生于 1986年,6 英寸產生于 1992 年,8 英寸產生于 1997,12 英寸產生于 2005 年。而行業內根據各尺寸硅片市場占比情況進行劃分,4 英寸、6 英寸和 8 英寸分別為 1980 年代、1990 年代和 2000 年代占據主流位置;而 12 英寸硅片產線是英特爾和 IBM 于 2002 年首先建成,而到 2005 年 12 英寸產品市場占比達到 20%且市場占比持續增大。

    自 2005 年起 12 英寸硅片被大規模使用以來至今已超過 10 年,在硅片向大尺寸發展的背景下,硅片產品理應進行迭代。18 英寸硅片是下一代技術節點,以英特爾、臺積電等廠商和學校為首的相關研發專案已經取得了一定進展,但因不具備生產效益而有所擱置。所以,12 英寸硅片尚未受到產品迭代所帶來的影響,有望在較長一段時間內保持市場地位。

2015-2021 年全球 12 寸硅片市場占比及預測

數據來源:公開資料整理

    目前,集成電路發展兩條技術主線是硅片尺寸擴大和芯片制程技術提升。其中,硅片尺寸擴大能有效降低成本,而這也成為硅片向大尺寸發展的重要推力。以 8 英寸和 12 英寸硅片為例,12 英寸硅片較 8 英寸在面積上提升約 2.25 倍。由于可用生產面積擴大,使得單硅片芯片產出數量也有所差異,其中,8 英寸硅片產出約為 88 塊,而 12 英寸硅片產出約為 232 塊,12 英寸硅片產出較 8英寸硅片提升約 2.64 倍,產出增長較硅片面積增長更多。此外,由于邊緣芯片減少,產品成品率將上升,使得產出會更高。在芯片生產過程中由于產出更高,使得設備使用率提升。所以,無論是從產量,還是從設備使用率角度,大硅片能使芯片生產成本下降,使得晶圓代工廠利潤增厚,從而間接推動硅片向大尺寸發展。

    各種需求促生對不同尺寸硅片需求。不同尺寸硅片在應有場景中有所差異,下游對于硅片需求主要集中在 8、12 英寸。目前,12 英寸硅片主要應用于制造智能終端中邏輯芯片和存儲芯片等,而 8 英寸硅片主要應用于汽車電子、工業自動化和指紋識別等集成電路制造領域,6 英寸及以下尺寸硅片主要應用于低端產品。所以,在不同領域應用不同尺寸的硅片,從而形成不同的需求。

    三、需求

    硅片是晶圓制造上游材料,晶圓廠產能情況對硅片需求將產生影響。根據 SEMI 數據,硅片出貨量存在一定周期性,2019 年硅片出貨量有所下滑,但情況有望得到好轉。受消費升級和數據流量爆發等因素誘發,終端市場持續向好,而需求沿著產業鏈向上游傳遞。在硅片向大尺寸發展的趨勢中,8 英寸和 12 英寸硅片作為主流硅片產品,在終端市場帶動下需求將持續擴大。預計,2020年半導體總發貨量將增長 7%,達到 10,363 億個,這將是有史以來半導體總發貨量第二次超過一萬億個單位。而在 2020 年半導體出貨量中,預計光電器件、傳感器和分立器這三項占 69%,集成電路占 31%。此外,2020 年增長率最高的半導體細分領域場景包括智能手機、汽車電子以及人工智能、云和“大數據”系統、深度學習應用程序。

2007年至2019年全球硅片面積出貨量(百萬平方英寸)

數據來源:公開資料整理

2020 年半導體出貨量占比

數據來源:公開資料整理

    1、12 英寸硅片

    目前,12 英寸硅片在下游產業中廣泛應用,產品大多使用于制造消費電子芯片。根據 12 英寸晶圓制造精度進行分類,可分為先進制程和成熟制程。隨著晶圓廠制程不斷提升,將增加高質量 12 英寸大硅片需求。除晶圓制程提升外,終端市場向好是拉動硅片需求上升的動力。

    由于 5G 通信能支持增強移動寬帶(eMBB)、高可靠低時延連接(uRLLC)和海量物聯(eMTC)三大應用場景,其對社會發展具備重要意義。所以,各國對于 5G 網絡建設都較為重視。而對于普通消費者而言,4G 手機無法支持 5G 網絡,若想使用 5G 網絡其需要對終端設備進行升級。所以,在通信升級時代將會出現手機換機潮。IDC 預計,2020 年 5G 智能手機出貨量將占智能手機總出貨量的 8.9%,到 2023 年,這一比例將增長至 28.1%。根據目前各大手機廠商所推出 5G 產品數據,大部分手機 NAND 容量為 128G 起,容量較 4G 手機有一倍的提升。手機對于存儲芯片需求將會逐步顯現。此外,數據流量爆發將增加數據中心需求,2016-2021 年全球數據中心流量復合增速將達 25%;而云數據中心流量增速將會更快,年復合增長率為 27%。數據流量爆發使得相關廠商會加大對服務器等基礎設施投入。由于服務器等基礎設施中需要使用到固態硬盤,而硬盤是 NAND Flash重要應用場景之一,所以這將會激發 NAND Flash 需求上升。Gartner 預計 NAND 復蘇將在 2020 年繼續,這是由于固態硬盤的強勁需求以及 5G 智能手機的大量增加使低位供應增長所致。

NAND 閃存應用份額

數據來源:公開資料整理

2018 年 12 英寸硅片下游應用占比

數據來源:公開資料整理

    DRAM 作為電子產品重要組件之一,在 AI 和 5G 兩大應用的拉動下,景氣度有望持續好轉。根據 2018 年 12英寸硅片下游應用占比數據,存儲芯片(DRAM、2D NAND、3D NAND)占比已超過50%。所以,無論是 NAND Flash,還是 DRAM,在終端設備需求持續向好將會沿產業鏈傳導到存儲芯片,從而使得晶圓廠對硅片需求上升。

    2、8 英寸硅片

    8 英寸晶圓制造技術依舊保持競爭力。12 英寸晶圓廠進入門檻較高,對于環境和設備等要求較為苛刻,所以其產品主要為精密制程的電子產品。而在制程等要求較低或對成本較為敏感的產品,一般使用 8 英寸或 6 英寸硅片進行生產。但隨著 6 英寸產品逐步向 8英寸轉移,8 英寸晶圓廠將承接部分產品生產需求。此外,由于 8 英寸晶圓已具備成熟特種工藝,在小尺寸晶粒模擬內容容量或高電壓支持具備優勢,所以對于具備特殊要求的器件大部分仍以 8 英寸晶圓制造為主。根據 8 英寸硅片下游應用數據,功率分立器件、MEMS、模擬、CIS、射頻等產品是主要應用方向。

2018 年 8 英寸硅片下游應用占比

數據來源:公開資料整理

    隨著新能源汽車和工業智能裝備等快速普及,對于模擬和分立器件的需求在逐步加大,而這使得汽車電子和工業控制領域在相關領域市場份額擴大,下游景氣度提升也將傳導到上游產業。自 2018 年 7 月以來,全球增加了 7 個 200mm 新廠房。而在接下來的 2019 年到 2022 年間,全球預計總共將有 16 個廠房或產線,其中 14 個為批量 Fab 廠。預測,到 2022 年全球200mm 晶圓制造廠的總產能達到每月 650 萬片晶圓。隨著電動車、5G 等市場的發展,MEMS、感測、模擬與微控制元件等在物聯網、移動裝置的應用發展將持續延伸,帶動8 英寸晶圓的市場需求。

    四、趨勢

    2019 年銷售額有所回落,但在終端市場持續向好推動下,銷售額有望扭轉跌勢。從市場份額來看,2017 年全球五大硅晶圓供貨商為日本信越(市占率 27.58%)、日本勝高(市占率 24.33%),臺灣環球晶圓(市占率 16.28%)、德國 Silitronic(市占率 14.22%)、韓國 SK Siltron(市占率 10.16%),前五大公司市占率超過 90 %。由于硅片具有較高技術壁壘,所以導致硅片市場集中度較高且硅片尺寸越大,市場集中度越高。

2009-2019 年全球硅片銷售(單位:十億美元)

數據來源:公開資料整理

2018 年全球硅片市場份額

數據來源:公開資料整理

    我國作為半導體產業第三次轉移轉入國,半導體產業得到快速發展。2016 年我國半導體銷售額為 1056.5 億美元,而 2019 年銷售額為 1436.7 億美元,年復合增長率為 10.79%。此外,我國在全球半導體市場規模份額持續擴大。目前,中國是全球最大的消費電子產品生產國、出口國和消費國,2018 年,中國手機、計算機和彩電產量占到全球總產量的 90%、90%和 70%以上,均穩居全球首位。在生產過程中半導體產品需求較大。所以,基于產業鏈安全等因素考慮,無論是半導體產品,還是半導體材料均有國產替代需求。

全球半導體市場規模(單位:十億美元)及中國占比

數據來源:公開資料整理

    硅片作為集成電路基石之一,其重要性不言而喻。但由于硅片市場目前被幾大巨頭所壟斷且我國在硅片產業起步較晚,使得我國硅片產業出現發展不均的情況。在小尺寸硅片方面,我國能大規模生產 4-6 英寸硅片,基本滿足國內需求。但大硅片(8、12 英寸)方面則存在較大缺口。雖然 8 英寸硅片我國能自主進行生產,但仍不能滿足下游生產需求;而 12 英寸硅片則幾乎依賴于進口。截至 2019 年 6 月,6 英寸國產化率超過 50%,8 英寸國產化率 10%,12 英寸國產化率小于1%,且國產 12 英寸硅片在國內晶圓廠中大都為測控片,正片的銷售較少。隨著下游需求回暖,國內硅片缺口將進一步擴大。參照日本半導體產業發展路徑,為彌補硅片產業不足,在政府政策和資金扶持下,我國硅片企業已走上追趕之路。

2018 年中國 8 英寸和 12 英寸硅片產品市場供給(單位:萬片/月)

數據來源:公開資料整理

    國家為促進集成電路全產業鏈發展,先后頒布了《國家集成電路產業發展推進綱要》、《集成電路產業“十三五”發展規劃》等政策。在這些政策中,不乏對于硅片產業發展提出指導意見。其中,《國家集成電路產業發展推進綱要》中提出要開發大尺寸硅片等關鍵材料,加強企業間合作;《“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃》中明確提出要重點研發 300mm 硅片。在國家政策推動下,硅片產業將會得到強有力支持。

    智研咨詢發布的《2020-2026年中國半導體硅片行業市場發展規劃及投資戰略分析報告》數據顯示:對于半導體硅片新進入者而言,半導體硅片在資本投入、生產技術和人才儲備等方面具有較高壁壘。此外,在硅片市場處于壟斷情況下,企業實現規模效應將面臨挑戰。由于我國具有較大內需市場且國家對硅片產業發展有政策扶持,所以我國企業能更好應對外部競爭。目前,我國企業對于國產供需缺口較大的 8 英尺和 12 英尺硅片均有布局,多個項目正逐步實施,產能將會逐步落地。據調查數據顯示,我國硅片企業規劃產能大多集中在 12 英寸硅片,大硅片產線投資合計超過 1400億元。其中,若 12 英寸硅片產按規劃落地,其月產能將超過 650 萬片。

中國 8/12 英尺大硅片規劃產能情況(萬片/月)

-
8英寸
12 英寸
硅產業
36
60
超硅半導體
50
85
中環半導體
105
52
立昂微電子
52
40
有研半導體
23
30
申和熱磁
85
40
合晶硅材料 
20
20
其他
10
335
合計
381
662

數據來源:公開資料整理

    由于新建產能投資較大且需要 2-3 年產能才能落地,所以我國實現大硅片自給自足仍需要時間。但隨著我國硅片產能逐步爬坡,大硅片進口依賴有望逐步緩解。此外,減少對進口依賴將有助于產業安全。2019 年 7 月,日本宣布限制對韓國出口半導體材料。由于日本是全球最大半導體材料生產國,在半導體材料領域具有據對優勢,且韓國在部分材料對日本較為依賴,出口限制對韓國半導體產業將產生影響。所以,產品進口依賴高將降低產業安全邊際,特別在貿易爭端發生時將對相關行業造成較大沖擊。我國硅片產能逐步落地將有助于提升國產率,提升硅片供給安全。

    我國作為半導體產業第三次轉移的轉入國,半導體銷售額在全球市場中占比在持續攀升。此外,我國是全球最大的消費電子產品生產國、出口國和消費國,對于半導體產品需求較大。所以,國產化水平將對產業安全有較大影響。硅片作為晶圓制造材料市場中占比最大的且最基礎品種,我國在硅片領域存在短板且在大硅片方面更為突出。但在國家政策和資金的扶持下,我國眾多企業紛紛規劃產線,對半導體大硅片進行布局。隨著產能逐步落地,能有效降低對進口大硅片依賴程度,保障產業安全。

    目前,5G 通信在全球范圍內掀起熱潮,韓國、美國、中國等國家已經開通 5G 商用網絡。由于 5G 網絡需要相應終端才能使用,在手機廠商逐步推出平價 5G 手機后,手機換機潮將有望出現。對于 To B 端而言,物聯網是 5G 下游應用的重要一環,車聯網、工業互聯網等將成為焦點。此外,伴隨著數據流量爆發,對于數據中心等基礎設施需求在增加。長期而言,隨著半導體產業下游應用向好,硅片作為上游材料之一,其需求將有望增加。

    目前,半導體產業主流硅片尺寸為 8 英寸和 12 英寸,其中 12 英寸出貨量占比超過 70%。雖然需求端持續向好,但供給端受產能利用率、投資周期等因素影響,短期內無法大量擴產。所以,供給端短期內或將保持現有規模。

    由于我國在硅片產業起步較晚,硅片國產程度較低,其中大硅片基本依靠進口。但在國家政策和資金扶持下,我國硅片企業走上追趕的道路,目前已有多家企業對大硅片進行布局。隨著產能落地,有望緩解對大硅片進口依賴,提高產業安全。 

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