底部導航

底部聯系方式

電話:0573-82512873
傳真:0573-82512793
地址:浙江省嘉興市秀洲區高照街道桃園路587號(中科電5#-1F)

底部版權

版權所有 © 嘉興豐琪電子科技有限公司 浙ICP備17040390號-1

對員工負責、對企業負責、對社會負責

新聞中心

如果您有任何的意見或者建議,請給我們留言!

建議投訴 / Message

資訊分類

半導體硅片現狀,90%以上靠進口|半導體行業觀察

分類:
行業新聞
來源:
2017/09/14 18:02

近些年來,硅晶圓片占半導體材料市場的比重基本保持穩定, 比重為 34%左右。 2015 年全球半導體硅片市場規模約為 80 億美元,是占比最大的 IC 制造材料。日本的 Shin-Etsu 和 Sumco 的銷售占比超過 50%,中國臺灣的環球晶圓在 2016 年先后并購了 Topsil 和 SunEdisonSemi,成為了全球第三大半導體硅片供應商,目前前六大硅片廠的銷售份額達到 92%,半導體硅片市場一直被巨頭壟斷。

由于 2016 年全年全球 DRAM 和 3D NAND Flash 出貨量增加以及硅片國際大廠產能有限, 再加上大陸投資的大尺寸硅片項目未能實現出貨,導致全球半導體硅片供應吃緊, 國際上前幾大硅片供應商的產能利用率均達到 100%。 三大半導體硅片廠均宣布將調漲 2017 年 Q1 的 12 英寸硅片價格 10~20%。

而據IC Insights 統計數據顯示,全球營運中的 12 寸(300mm)晶圓廠數量持續成長,在 2016 年可達到 100 座, 到 2020 年底,預期全球應用于 IC 生產的 12 寸晶圓廠總數達到 117 座,若 18 寸(450mm)晶圓邁入量產, 12 寸晶圓廠的高峰數量可達到 125 座左右。 由于 12 英寸( 300mm)的硅片主要是用來生產邏輯芯片和記憶芯片, 并且DRAM 與 NAND 閃存等未來五年年均複合增長率( CAGR)可達7.3%,產值將從去年的 773 億美元擴增至 1,099 億美元,增長率達到 42.2%, 因此,全球對于 300mm 大硅片的需求將持續擴張。 預計未來幾年硅片的缺貨將是常態。

國內集成電路產業經過 30 多年的大力發展,目前已形成了一定的產業規模,以及集成電路設計、芯片制造、封裝測試三業及支撐配套業共同發展的較為完善的產業鏈格局。目前我國半導體行業發展快速,對上游原材料需求維持這一個較高的水平,近幾年對硅片及硅基材料的需求基本在 130 億元左右的水平,但 12 英寸硅片完全依賴進口,因此將來存在著較大的進口替代的可能性。

什么是半導體硅片

硅片又稱硅晶圓片, 是制作集成電路的重要材料,通過對硅片進行光刻、離子注入等手 段,可以制成集成電路和各種半導體器件。 硅片是以硅為材料制造的片狀物體,直徑有 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸等規格。單晶硅是硅的單晶體,是一種比較活潑的非金屬元素, 具有基本完整的點陣結構。不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導材料。純度 要求達到 99.9999%,甚至達到 99.9999999%,雜質的含量降到 10-9的水平。采用西門子 法可以制備高純多晶硅,然后以多晶硅為原料,采用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長 出棒狀單晶硅。單晶硅圓片按其直徑主要分為 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸及 18 英寸等。

硅( Si)是目前最重要的半導體材料,全球 95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基 底功能材料而生產出來的。在可預見的未來,還沒有其它材料(如石墨烯等)可以替代 硅的地位。 在半導體制造業中廣泛使用各種不同尺寸與規格的硅片,通常包括 4 英寸、 5 英寸、 6 英寸、 8 英寸及 12 英寸,它們的基本規格如下表所示:

直拉法和區熔法的比較

硅片尺寸越大,將來在制成的每塊晶圓上就能切割出更多的芯片,單位芯片的成本也就 更低。在 1960 年時期就有了 0.75 英寸(約 20mm)左右的單晶硅片。在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩爾定律時,還是以分立器件為主的晶體管,然后開始使用少量的 1.25 英寸小硅片,進而集成電路用的 1.5 英寸硅片更是需求大增。

之后,經過 2 英寸, 3 英寸,和4 英寸。接下來 5 英寸, 6 英寸, 8 英寸,然后進入 12 英寸。 業界較為公認的說法, 1980年代是 4 英寸硅片占主流,1990 年代是 6 英寸占主流,2000 年代是 8 英寸占主流,到 2002年時英特爾與 IBM 首先建 12 英寸生產線,到 2005 年已占 20%,及 2008 年占 30%,而那時 8 英寸已下降至 54%及 6 英寸下降至 11%。 預計在 2020 年左右, 18 英寸( 450mm)的硅片將開始投入使用。

半導體硅片尺寸發展歷程

單晶硅片是制造半導體硅器件的原料,用于制作大功率整流器、 大功率晶體管、二極管、 開關器件等,其后續產品集成電路和半導體分立器件已廣泛應用于各個領域。單晶硅作 為一種重要的半導體材料,在光電轉換、傳統半導體器件中其應用已十分普遍。以電驅動 的發光光源,如放電燈、熒光燈或陰極射線發光屏、 發光二極管等。從信息角度來看, 可利用光發射、放大、調制、加工處理、存儲、測量、顯示等技術和元件,構成具有特 定功能的光電子學系統。例如,利用光纖通信可以實現迅速和大容量信息傳送的目的。 它使原來類似的技術水平得到大幅度的提高。

半導體單晶硅片的生產工藝流程

單晶硅片是單晶硅棒經由一系列工藝切割而成的,制備單晶硅的方法有直拉法( CZ 法)、 區熔法( FZ 法)和外延法,其中直拉法和區熔法用于制備單晶硅棒材。區熔硅單晶的最 大需求來自于功率半導體器件。

單晶硅制備流程

直拉法簡稱 CZ 法。 CZ 法的特點是在一個直筒型的熱系統匯總,用石墨電阻加熱,將裝在 高純度石英坩堝中的多晶硅熔化,然后將籽晶插入熔體表面進行熔接,同時轉動籽晶, 再反轉坩堝,籽晶緩慢向上提升,經過引晶、放大、轉肩、等徑生長、收尾等過程,得 到單晶硅。

區熔法是利用多晶錠分區熔化和結晶半導體晶體生長的一種方法,利用熱能在半導體棒 料的一端產生一熔區,再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動,通 過整根棒料,生長成一根單晶,晶向與籽晶的相同。區熔法又分為兩種:水平區熔法和 立式懸浮區熔法。前者主要用于鍺、 GaAs 等材料的提純和單晶生長。后者是在氣氛或真 空的爐室中,利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區,然 后使熔區向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托, 懸浮于多晶棒與單晶之間,故稱為懸浮區熔法。

直拉法和區熔法的比較

單晶硅是從大自然豐富的硅原料中提純制造出多晶硅,再通過區熔或直拉法生產出區熔 單晶或直拉單晶硅,進一步形成硅片、拋光片、外延片等。直拉法生長出的單晶硅,用 在生產低功率的集成電路元件。而區熔法生長出的單晶硅則主要用在高功率的電子元件。 直拉法加工工藝:加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長,長完的晶 棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出,即完成一次生長周期。

懸浮區熔法加工工藝:先從上、下兩軸用夾具精確地垂直固定棒狀多晶錠。用電子轟擊、高頻感應或光學聚焦法將一段區域熔化,使液體靠表面張力支持而不墜落。移動樣品或加熱器使熔區移動。這種方法不用坩堝,能避免坩堝污染,因而可以制備很純的單晶,也可采用此法進行區熔。

半導體單晶硅片加工工藝流程

工業生產中對硅的需求主要來自于兩個方面:半導體級和光伏級。半導體級單晶硅和光 伏級單晶硅在加工工藝流程中存在著一些差異,半導體級單晶硅的純度遠遠高于光伏級 單晶硅。半導體級單晶硅片的加工工藝流程:單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型 槽處理→切片,倒角→研磨,腐蝕--拋光→清洗→包裝。

半導體單晶硅片切割工藝流程

單晶硅片產業鏈分析

單晶硅的制備工藝不同,所得到產品的純度和性能差異很大,因此其下游應用領域也有 所區別。單晶硅在日常生活中是電子計算機、自動控制系統等現代科學技術中不可缺少 的基本材料。電視、電腦、手機、汽車,處處都離不開單晶硅材料,單晶硅作為科技應 用普及材料之一,已經滲透到人們生活中的各個角落。

單晶硅及其應用分類

整個單晶硅的產業鏈比較長,從最上游的多晶硅原料和設備等,到中游的單晶硅硅片, 延伸至下游的電力電子器件、高效率太陽能光伏電池、射頻器件和微電子機械系統、各 種探測器和傳感器等,最后到計算機、汽車、光伏等各大行業。日本信越化工和 SUMCO 公司在單晶硅片領域占據了市場重要地位。

單晶硅產業鏈全景圖

(1)上游設備原材料格局

半導體元件所使用的單晶硅片系采用多晶硅原料再經由單晶生長技術所生產出來的。晶 硅是單質硅的一種形態, 熔融的單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格的形 態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來形成的 晶體就叫多晶硅。

多晶硅所使用的原材料來自硅砂(二氧化硅),以鹽酸(或氯氣、氫氣)和冶金級工業硅為原料,將粗硅(工業硅)粉與鹽酸在高溫下合成為三氯氫硅,然后對三氯氫硅進行化學精制提純,接著對三氯氫硅進行多級精餾,使其純度達到 9 個 9 以上,其中金屬雜質總含量應降到 0.1ppba 以下,最后在還原爐中 在 1050℃的硅芯上用超高純的氫氣對三氯氫硅進行還原而長成高純多晶硅棒,再通過單晶生長技術生產處單晶硅片。

電子級多晶硅(用于制備半導體單晶硅) 與太陽能級多晶硅的區別主要就在于對純度的控制,最明顯的就在精餾工序,電子級和太陽能級的塔高和數量相差很大。太陽能能多晶硅純度為小數點后 6 個 9,電子級多晶硅小數點 12 個 9,整個工藝流程電子級比太陽能級在原料純度,管道清洗,提純塔,廠房潔凈度等要求都要高。

電子級多晶硅的等級及相關技術要求

電子級多晶硅材料的生產與太陽能級多晶硅相比,對產品純度、雜質控制的要求都非常 苛刻,此過程中氯硅烷的分離提純工藝是關鍵步驟。三氯氫硅除硼一直是國內電子級多 晶硅材料領域的技術瓶頸。

電子級多晶硅與太陽能級多晶硅的區別

近幾年來,隨著消費電子的快速發展以及未來汽車產生的大量需求,全球電子級多晶硅 料需求量穩步,預計未來幾年對于硅片的消費量會保持現在的上升趨勢。

全球電子硅材料需求情況

(2)關鍵生產設備都來自國外

單晶硅棒加工成單晶硅拋光硅片的加工流程: 單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型 槽處理→切片,倒角→研磨,腐蝕--拋光→清洗→包裝。通常一條生產線需要如下的設 備配置。目前國產設備雖然已經覆蓋生產線的各個環節,但在質量和精度方面與進口設 備差距較大。因此,目前國內單晶硅廠商都采用進口設備來進行生產。

單晶硅生產線設備配置

單晶爐是一種在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料 熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設備。 單晶硅爐型號有兩種命名方式,一種為投料量, 一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號是由投料量決定, 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。 單晶硅爐的主體構成由主機、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成。

半導體材料有別于一般電子產業,不僅在純度與不純物的規格要求相當高,連從原物料 的來源與合成制造的生產過程都必須完全符合半導體制造商的規定,才有機會打入供應 體系。

再者,材料供應商與半導體制造商就先進制程技術的開發時,材料業者須亦步亦趨隨時 配合與反應制程參數調整的結果,國內材料廠雖具有就近協助與供應的優勢,但配合度 與效率卻不如國際大廠。

國內外主要單晶硅爐生產廠商的現金產品

(3)半導體硅片全球格局情況

國際半導體產業協會(SEMI)最新統計數據顯示, 2016 年第三季全球硅晶圓出貨面積再度 打破歷史紀錄,達到 27.30 億平方英寸。與前一季 27.06 億平方英寸相比,第三季出貨 面積成長 0.9%,也較 2015 年第三季的 25.91 億平方英寸增加 5.4%。硅晶圓是制造半導 體器件的基礎材料,對于電腦、通訊、消費性電子等所有電子產品來說,都是十分重要 的物資。其出貨面積持續成長,也顯示市場對電子產品的需求仍在不斷成長。

近五季全球硅晶圓出貨面積不斷上升

全球硅片市場規模近幾年穩步上升,未來上升將成為主要趨勢。 以工藝為標準可以將半 導體材料分為晶圓制造材料和封裝材料。 2015 年,總體晶圓制造市場達到 241 億美元, 封裝材料市場達到 193 億美元。 2015 年全球半導體單晶硅市場產值已達 434 億美元,在 整個半導體行業中所占比重達到 13%。

2013-2016 年全球硅片市場規模

半導體材料分為晶圓制造材料和封裝材料,晶圓制造材料主要包括大硅片、光刻膠、濕 化學品、特種氣體、拋光液和拋光墊等。硅片及硅基材是半導體材料中最重要的部分, 占半導體材料市場份額的 32%,由于我國半導體產業起步較晚,再加上半導體硅片的制備 工藝要求極高,該部分市場幾乎均由國外廠商壟斷。

目前主流半導體硅片市場的全球寡頭壟斷已經形成,日本、臺灣、德國和韓國資本控制的 6 大硅片公司的銷量占到 95%。信越化學工業株式會社作為日本半導體材料行業的龍頭企業之一,是全球最大的半導體硅片供應商, 2015 年在全球半導體硅片市場中占有 27%的份額, SUMCO 公司緊隨其后。

硅晶圓產業幾乎由國外廠商壟斷

半導體單晶硅片下游市場前景廣闊

半導體單晶硅片下游市場整體向好,繼續保持增長趨勢。 2015 年全球半導體代工市場增 長 4.4%,達到 488 億美元。 在新技術(云計算、人工智能、智能駕駛)逐步興起的背景 下,基于對深度大數據處理的需求大幅增加,將帶來半導體硬件設備的快速更新升級。 半導體行業或迎來大規模發展契機。

硅片是最主要的半導體材料,歷年來硅晶圓片的市場銷售額占整個半導體材料市場總銷 售額的 32%~40%。 近些年來,硅晶圓占半導體材料市場的比重基本保持穩定, 2013 年硅 晶圓占半導體材料市場的比重為 35%, 2015 年占比 34%。可以預見在未來幾年內,硅晶圓依舊將在半導體材料市場占據重要地位。

2015 年全球半導體前道各材料市場比重

數據顯示, 2015 年硅拋光晶圓與硅外延晶圓合計 10434MSI(百萬平方英寸); SEMI 協會 表示, 2015 年硅晶圓片總出貨量超越 2014 年創下的歷史記錄,預計 2016 年和 2017 年有望再創新高。

2013-2017 年全球硅晶圓片的出貨量計

雖然在 2005 年至 2010 年期間,不同尺寸硅片市場數據波動起伏,但是從 2011 年至 2015年,全球不同尺寸硅片市場規模穩步上升。預計在 2017 年硅片總量將超過 120 億平方英寸,同時 12 英寸硅片所占比重越來越大,牢牢占據主流地位。

全球硅片市場現狀及發展預測

2015 年全球半導體市場增長緩慢,主要是因為 3.9%的亞太地區增長抵消了 10.3%的日本 下滑和 8.2%的歐洲下滑。半導體需求主要受到 PC 出貨放緩、美元升值、日本經濟萎縮、 歐洲危機和中國股票市場影響。其中,中國半導體銷售額占到全球半導體消費的 50%以上。 未來幾年內全球半導體市場將呈現回暖趨勢,2016年和 2017年將分別增長 1.4%和 3.1%。

迄今為止,主要半導體市場亞太地區已經推動半導體行業增長;鑒于中國經濟疲軟,半 導體市場將呈現緩慢增長的趨勢。 2017 年全球的半導體市場將呈現增長勢頭,這將直接 帶動全球半導體級硅片市場的增長,雖然增長率有所放緩,但是增長的趨勢是一定的。

2014-2017 年全球半導體市場規模

由于半導體行業去庫存已接近尾聲,隨著市場需求逐漸回暖,半導體行業景氣度逐步提 升。預計全球半導體的資本支出和設備投資規模在未來兩年能夠保持相對穩定的增長率, 半導體級硅片行業也會因此受益,在未來對于硅片的需求將穩步上升。

2014-2018 年全球半導體的資本支出和

需要強調的一點就是300mm硅片需求持續增長。

半導體芯片制造技術遵循摩爾定律,不同尺寸硅片市場的消長和發展輪換,硅片整體沿 大尺寸趨勢發展。 單晶硅片直徑越大,所能刻制的集成電路越多,芯片的成本也就越低。 300mm 硅片從 1990 年代末迅速切入市場,經過幾年發展,迅速成為市場的主流,并且未 來也將占據主流地位。

根據 SEMI 發布的市場消息, 2015 年全球硅片材料市場消耗約 100億平方英寸。其中 300mm 占約 70%。與此同時, 200mm 硅片出貨目前還占據大約 20%市場份額。由于 MEMS、功率模擬等產品預計將以超越摩爾定律的方式繼續發展, 200mm 硅片未來還將繼續保持一定的市場份額。目前業界的主流預測是, 450mm 硅片有可能在 2017年左右開始導入小批量生產,第一批客戶可能只有 Intel 一家。之后幾年 450mm 的硅片也將遵循規律,迎來一段時間的強勁增長。預計硅片需求依舊會保持持續增長態勢。

300mmFabs 將會在 2021 年左右達到高峰,之后市場將迎來 450mmFabs 的補充, 300mmFabs將逐漸減少。總體供給預計將不會減少。

根據 IC Insights 統計的 2016-2020 年全球晶圓產能報告顯示,全球營運中的 12 寸(300mm) 晶圓廠數量持續成長,預期在 2016 年可達到 100 座。此外,目前全球有 8 座 12 寸晶圓 廠預計 2017 年開幕,有可能使該年度成為自 2014 年有 9 座晶圓廠開始營運以來,第二 個有最多數量晶圓廠投入營運的年份。到 2020 年底,預期全球將有再 22 座的 12 寸晶圓廠營運,讓全球應用于 IC 生產的 12 寸晶圓廠總數達到 117 座。

而如果 18 寸(450mm)晶圓邁入量產, 12 寸晶圓廠的高峰數量可達到 125 座左右。 12 英寸( 300mm) 的硅片主要是用來做邏輯芯片和記憶芯片的,而其余的比如汽車半導體、指紋識別芯片、攝像機 CIS芯片都是采用 8 英寸的硅片。而根據研調機構 IC Insights 最新報告預測, DRAM 與 NAND閃存等,未來五年年均複合增長率( CAGR)可達 7.3%,產值將從去年的 773 億美元擴增至 1,099 億美元,增長達到 42.2%。 因此,全球對于 300mm 大硅片的需求將持續擴張。

根據統計,大陸 12 寸晶圓廠達到 10 座,若全部投產未來大陸 12 寸芯片總產能預計超過 55 萬片/月。而目前國內的 12 寸( 300mm)硅片產量幾乎為零,這是產業鏈上最為緊缺的一環。全球 12 寸硅片日本生產的最多,日本信越和 SUMCO,這兩家的產能和實際供應量總和占全球 2/3 以上。 300mm 半導體級的大硅片,不僅是產業鏈缺失的重要一環,也是國家安全戰略發展的需要。因此,大陸本土對于 12 寸硅片的下游需求正在迅速擴張。

2015 年全球不同尺寸硅片材料市場消耗超過 100 億平方英寸,預計到 2020 年全球不同尺寸硅片材料市場消耗將突破 120 億平方英寸。 其中, 12 寸( 300mm) 晶圓市場規模將不斷擴大, 到 2020 年將占到 80%, 而 8 寸( 200mm) 和 6 寸( 150mm) 及以下的硅片市場規模將越來越小。

全球不同尺寸硅片市場現狀及預測

內容分享到:

888真人娱乐注册