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巨头垄断硅片市场 12英寸硅片进口替代可能性高

导读: 由于 2016 年全年全球 DRAM 和 3D NAND Flash 出货量增加以及硅片国际大厂产能有限, 再加上大陆投资的大尺寸硅片项目未能实现出货,导致全球半导体硅片供应吃紧, 国际上前几大硅片供应商的产能利用率均达到 100%。

近些年来,硅晶圆片占半导体材料市场的比重基本保持稳定, 比重为 34%左右。 2015 年全球半导体硅片市场规模约为 80 亿美元,是占比最大的 IC 制造材料。日本的 Shin-Etsu 和 Sumco 的销售占比超过 50%,中国台湾的环球晶圆在 2016 年先后并购了 Topsil 和SunEdisonSemi,成为了全球第三大半导体硅片供应商,目前前六大硅片厂的销售份额达到 92%,半导体硅片市场一直被巨头垄断。

由于 2016 年全年全球 DRAM 和 3D NAND Flash 出货量增加以及硅片国际大厂产能有限, 再加上大陆投资的大尺寸硅片项目未能实现出货,导致全球半导体硅片供应吃紧, 国际上前几大硅片供应商的产能利用率均达到 100%。 三大半导体硅片厂均宣布将调涨 2017年 Q1 的 12 英寸硅片价格 10~20%。

而据IC Insights 统计数据显示,全球营运中的 12 寸(300mm)晶圆厂数量持续成长,在 2016 年可达到 100 座, 到 2020 年底,预期全球应用于 IC 生产的 12 寸晶圆厂总数达到 117 座,若 18 寸(450mm)晶圆迈入量产, 12 寸晶圆厂的高峰数量可达到 125 座左右。 由于 12 英寸( 300mm)的硅片主要是用来生产逻辑芯片和记忆芯片, 并且DRAM 与 NAND 闪存等未来五年年均複合增长率( CAGR)可达7.3%,产值将从去年的 773 亿美元扩增至 1,099 亿美元,增长率达到 42.2%, 因此,全球对于 300mm 大硅片的需求将持续扩张。 预计未来几年硅片的缺货将是常态。

国内集成电路产业经过 30 多年的大力发展,目前已形成了一定的产业规模,以及集成电路设计、芯片制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。目前我国半导体行业发展快速,对上游原材料需求维持这一个较高的水平,近几年对硅片及硅基材料的需求基本在 130 亿元左右的水平,但 12 英寸硅片完全依赖进口,因此将来存在着较大的进口替代的可能性。

什么是半导体硅片

硅片又称硅晶圆片, 是制作集成电路的重要材料,通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,可以制成集成电路和各种半导体器件。 硅片是以硅为材料制造的片状物体,直径有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸等规格。单晶硅是硅的单晶体,是一种比较活泼的非金属元素,具有基本完整的点阵结构。不同的方向具有不同的性质,是一种良好的半导材料。纯度要求达到 99.9999%,甚至达到 99.9999999%,杂质的含量降到 10-9的水平。采用西门子法可以制备高纯多晶硅,然后以多晶硅为原料,采用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅圆片按其直径主要分为 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸及 18 英寸等。

硅( Si)是目前最重要的半导体材料,全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的。在可预见的未来,还没有其它材料(如石墨烯等)可以替代硅的地位。 在半导体制造业中广泛使用各种不同尺寸与规格的硅片,通常包括 4 英寸、 5英寸、 6 英寸、 8 英寸及 12 英寸,它们的基本规格如下表所示:

巨头垄断硅片市场 进口替代可能性高

直拉法和区熔法的比较

硅片尺寸越大,将来在制成的每块晶圆上就能切割出更多的芯片,单位芯片的成本也就更低。在 1960 年时期就有了 0.75 英寸(约 20mm)左右的单晶硅片。在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩尔定律时,还是以分立器件为主的晶体管,然后开始使用少量的 1.25 英寸小硅片,进而集成电路用的 1.5 英寸硅片更是需求大增。

之后,经过 2 英寸, 3 英寸,和4 英寸。接下来 5 英寸, 6 英寸, 8 英寸,然后进入 12 英寸。 业界较为公认的说法, 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年时英特尔与 IBM 首先建 12 英寸生产线,到 2005 年已占 20%,及 2008 年占 30%,而那时 8 英寸已下降至 54%及 6 英寸下降至 11%。 预计在 2020 年左右, 18 英寸( 450mm)的硅片将开始投入使用。

巨头垄断硅片市场 进口替代可能性高

半导体硅片尺寸发展历程

单晶硅片是制造半导体硅器件的原料,用于制作大功率整流器、 大功率晶体管、二极管、开关器件等,其后续产品集成电路和半导体分立器件已广泛应用于各个领域。单晶硅作为一种重要的半导体材料,在光电转换、传统半导体器件中其应用已十分普遍。以电驱动的发光光源,如放电灯、荧光灯或阴极射线发光屏、 发光二极管等。从信息角度来看,可利用光发射、放大、调制、加工处理、存储、测量、显示等技术和元件,构成具有特定功能的光电子学系统。例如,利用光纤通信可以实现迅速和大容量信息传送的目的。它使原来类似的技术水平得到大幅度的提高。

半导体单晶硅片的生产工艺流程

单晶硅片是单晶硅棒经由一系列工艺切割而成的,制备单晶硅的方法有直拉法( CZ 法)、区熔法( FZ 法)和外延法,其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。区熔硅单晶的最大需求来自于功率半导体器件。

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单晶硅制备流程

直拉法简称 CZ 法。 CZ 法的特点是在一个直筒型的热系统汇总,用石墨电阻加热,将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化,然后将籽晶插入熔体表面进行熔接,同时转动籽晶,再反转坩埚,籽晶缓慢向上提升,经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程,得到单晶硅。

区熔法是利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法,利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区,再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动,通过整根棒料,生长成一根单晶,晶向与籽晶的相同。区熔法又分为两种:水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、 GaAs 等材料的提纯和单晶生长。后者是在气氛或真空的炉室中,利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区,然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托,悬浮于多晶棒与单晶之间,故称为悬浮区熔法。

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直拉法和区熔法的比较

单晶硅是从大自然丰富的硅原料中提纯制造出多晶硅,再通过区熔或直拉法生产出区熔单晶或直拉单晶硅,进一步形成硅片、抛光片、外延片等。直拉法生长出的单晶硅,用在生产低功率的集成电路元件。而区熔法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。直拉法加工工艺:加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长,长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出,即完成一次生长周期。

悬浮区熔法加工工艺:先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化,使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动。这种方法不用坩埚,能避免坩埚污染,因而可以制备很纯的单晶,也可采用此法进行区熔。

巨头垄断硅片市场 进口替代可能性高

半导体单晶硅片加工工艺流程

工业生产中对硅的需求主要来自于两个方面:半导体级和光伏级。半导体级单晶硅和光伏级单晶硅在加工工艺流程中存在着一些差异,半导体级单晶硅的纯度远远高于光伏级单晶硅。半导体级单晶硅片的加工工艺流程:单晶生长→切断→外径滚磨→平边或 V 型槽处理→切片,倒角→研磨,腐蚀--抛光→清洗→包装。

巨头垄断硅片市场 进口替代可能性高

半导体单晶硅片切割工艺流程

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