Siliciumwafels vormen de hoeksteen van halfgeleidermaterialen. Ze worden eerst tot siliciumstaven gemaakt door enkele kristallen te trekken, en vervolgens gesneden en gemaakt. Omdat het aantal valentie-elektronen van siliciumatomen 4 is en het rangtelwoord gematigd is, heeft silicium speciale fysische en chemische eigenschappen en kan het worden gebruikt op chemisch, fotovoltaïsch, chip- en ander gebied. Vooral op het gebied van chips zijn het de halfgeleidereigenschappen van silicium die het tot de hoeksteen van chips maken. Op het gebied van fotovoltaïsche zonne-energie kan het worden gebruikt voor de opwekking van zonne-energie. Bovendien is silicium verantwoordelijk voor 25,8% van de aardkorst. Het is relatief gemakkelijk te delven en heeft een sterke recycleerbaarheid, dus de prijs is laag, wat het toepassingsbereik van silicium verder vergroot.
1. Silicium - de hoeksteen van chipmaterialen Siliciummaterialen worden onderverdeeld in monokristallijn silicium en polykristallijn silicium, afhankelijk van de verschillende rangschikking van eenheidscellen. Het grootste verschil tussen monokristallijn silicium en polykristallijn silicium is dat de eenheidscelopstelling van monokristallijn silicium ordelijk is, terwijl polykristallijn silicium ongeordend is. Wat de productiemethoden betreft, wordt polykristallijn silicium over het algemeen gemaakt door siliciummateriaal rechtstreeks in een smeltkroes te gieten om het te smelten en vervolgens af te koelen. Monokristallijn silicium wordt gevormd tot een kristallen staaf door aan een enkel kristal te trekken (de Czochralski-methode). Wat de fysieke eigenschappen betreft, zijn de kenmerken van de twee soorten silicium behoorlijk verschillend. Monokristallijn silicium heeft een sterke elektrische geleidbaarheid en een hoge foto-elektrische conversie-efficiëntie. De foto-elektrische conversie-efficiëntie van monokristallijn silicium ligt doorgaans rond de 17% tot 25%, terwijl de efficiëntie van polykristallijn silicium minder dan 15% bedraagt.
▲ Halfgeleider-siliciumwafels en fotovoltaïsche siliciumwafels
▲ Celstructuur met één kristalsiliciumeenheid
Fotovoltaïsche siliciumwafels:Vanwege het foto-elektrische effect en de voor de hand liggende voordelen van monokristallijn silicium gebruiken mensen siliciumwafels om de omzetting van zonne-energie in elektrische energie te voltooien. In het fotovoltaïsche veld worden doorgaans vierkante monokristallijne siliciumcellen met afgeronde hoeken gebruikt. Er worden ook goedkopere polykristallijne siliciumwafels gebruikt, maar het conversierendement is lager.
▲Voor- en achterkant van monokristallijne siliciumcel
▲Polykristallijne siliciumcel voor- en achterkant
Omdat fotovoltaïsche siliciumwafels lage eisen stellen aan parameters zoals zuiverheid en kromtrekken, is het fabricageproces relatief eenvoudig. Als we monokristallijne siliciumcellen als voorbeeld nemen, is de eerste stap het snijden en ronden. Snijd eerst de monokristallijne siliciumstaaf in vierkante staven volgens de maatvereisten en rond vervolgens de vier hoeken van de vierkante staven af. De tweede stap is het beitsen, wat voornamelijk bedoeld is om oppervlakteverontreinigingen van de monokristallijne vierkante staven te verwijderen. De derde stap is het snijden. Plak eerst de schoongemaakte vierkante staven op het werkbord. Plaats vervolgens het werkbord op de snijmachine en snij deze volgens de ingestelde procesparameters. Reinig ten slotte de monokristallijne siliciumwafels en controleer de gladheid van het oppervlak, de weerstand en andere parameters.
Halfgeleider siliciumwafels:Halfgeleider-siliciumwafels stellen hogere eisen dan fotovoltaïsche siliciumwafels. Ten eerste zijn alle siliciumwafels die in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt monokristallijn silicium, om dezelfde elektrische eigenschappen van elke positie van de siliciumwafel te garanderen. Qua vorm en grootte zijn fotovoltaïsche monokristallijne siliciumwafels vierkant, voornamelijk met zijlengtes van 125 mm, 150 mm en 156 mm. De monokristallijne siliciumwafels die voor halfgeleiders worden gebruikt, zijn rond, met diameters van 150 mm (6-inch wafers), 200 mm (8-inch wafers) en 300 mm (12-inch wafers). In termen van zuiverheid ligt de zuiverheidseis voor monokristallijne siliciumwafels die worden gebruikt voor fotovoltaïsche zonne-energie tussen 4N-6N (99,99%-99,9999%), maar de zuiverheidseis voor monokristallijne siliciumwafels die worden gebruikt voor halfgeleiders ligt rond 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), en de minimale zuiverheidseis is 1000 keer die van monokristallijne siliciumwafels die worden gebruikt voor fotovoltaïsche zonne-energie. Qua uiterlijk zijn de vlakheid, gladheid en zuiverheid van het oppervlak van siliciumwafels die voor halfgeleiders worden gebruikt hoger dan die van siliciumwafels die voor fotovoltaïsche zonne-energie worden gebruikt. Zuiverheid is het grootste verschil tussen monokristallijne siliciumwafels die worden gebruikt voor fotovoltaïsche zonne-energie en monokristallijne siliciumwafels die worden gebruikt voor halfgeleiders.
▲ Productieproces van halfgeleider-siliciumwafels
De ontwikkeling van de wet van Moore is de ontwikkeling van siliciumwafels. Omdat halfgeleider-siliciumwafels rond zijn, worden halfgeleider-siliciumwafels ook wel "siliciumwafels" of "wafels" genoemd. Wafers zijn het "substraat" voor de productie van chips, en alle chips worden op dit "substraat" vervaardigd. In de ontwikkelingsgeschiedenis van halfgeleider-siliciumwafels zijn er twee hoofdrichtingen: grootte en structuur.
In termen van omvang wordt het ontwikkelingstraject van siliciumwafels steeds groter: in de vroege fase van de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen werden 0.75-inch wafers gebruikt. Het vergroten van het waferoppervlak en het aantal chips op een enkele wafer kan de kosten verlagen. Rond 1965, met de introductie van de wet van Moore, luidden zowel de technologie van geïntegreerde schakelingen als de siliciumwafels een periode van snelle ontwikkeling in. Siliciumwafels zijn door knooppunten van 4-inch, 6-inch, 8-inch en 12-inch gegaan. Sinds Intel en IBM in 2001 gezamenlijk de productie van 12-inch waferchips hebben ontwikkeld, bestaat de huidige mainstream siliciumwafel uit 12-inch wafers, goed voor ongeveer 70%, maar 18-inch (450 mm) wafers hebben op de agenda gezet.
▲Parameters van verschillende wafelgroottes
▲De ontwikkeling van de grootte van siliciumwafels
In termen van structuur wordt de ontwikkelingsrichting van siliciumwafels steeds complexer: in de vroege fase van de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen was er slechts één soort logica-chip, maar met het toenemende aantal toepassingsscenario's, logica-chips, stroomapparaten Analoge chips, gemengde analoge en digitale chips, flash/DRAM-opslagchips, radiofrequentiechips, enz. zijn de een na de ander verschenen, waardoor siliciumwafels verschillende structurele vormen hebben. Nu zijn er hoofdzakelijk drie soorten:
PW (Poolse wafel):gepolijste wafel. De siliciumwafels die direct worden gesneden na het trekken van enkele kristallen zijn niet perfect wat betreft gladheid of kromtrekken, dus moeten ze eerst worden gepolijst. Deze methode is ook de meest primitieve manier om siliciumwafels te verwerken.
AW (onthard wafeltje):Gegloeide wafel. Met de voortdurende ontwikkeling van procestechnologie en de voortdurende verkleining van de afmetingen van transistorkenmerken worden de tekortkomingen van gepolijste wafers geleidelijk aan blootgelegd, zoals lokale roosterdefecten op het oppervlak van siliciumwafels en een hoog zuurstofgehalte op het oppervlak van siliciumwafels. Om deze problemen op te lossen is de uitgloeiwafeltechnologie ontwikkeld. Na het polijsten wordt de siliciumwafel in een ovenbuis geplaatst gevuld met inert gas (meestal argon) voor uitgloeien bij hoge temperatuur. Dit kan niet alleen de roosterdefecten op het oppervlak van de siliciumwafel repareren, maar ook het zuurstofgehalte aan het oppervlak verminderen.
EW (epitaxiewafel):epitaxiale siliciumwafel. Met de toenemende toepassingsscenario's van geïntegreerde schakelingen kunnen de standaard siliciumwafels vervaardigd door siliciumwafelfabrieken niet langer voldoen aan de eisen van sommige producten op het gebied van elektrische eigenschappen. Tegelijkertijd kunnen de door thermisch uitgloeien gereduceerde roosterdefecten niet voldoen aan de steeds kleinere lijnbreedtevereisten. Dit heeft geleid tot de opkomst van epitaxiale siliciumwafels. De gebruikelijke epitaxiale laag is een dunne siliciumfilm. Er wordt een laag dunne siliciumfilm gegroeid op basis van de originele siliciumwafel met behulp van dunnefilmdepositietechnologie. Omdat het siliciumsubstraat bestaat als een kiemkristal in siliciumepitaxie, zal de groei van de epitaxiale laag de kristalstructuur van de siliciumwafel repliceren. Omdat de substraat-siliciumwafel een enkel kristal is, is de epitaxiale laag ook een enkel kristal. Omdat het echter niet gepolijst is, kunnen de roosterdefecten op het oppervlak van de siliciumwafel na groei tot een zeer laag niveau worden teruggebracht.
Technische indicatoren voor epitaxie omvatten voornamelijk de dikte van de epitaxiale laag en de uniformiteit ervan, uniformiteit van de weerstand, controle van het lichaamsmetaal, deeltjescontrole, stapelfouten, dislocaties en andere defectcontrole. In dit stadium hebben mensen een hoge kwaliteit van epitaxiale siliciumwafels bereikt door de epitaxiereactietemperatuur, de stroomsnelheid van het epitaxiale gas en de temperatuurgradiënten in het midden en aan de rand te optimaliseren. Vanwege verschillende producten en de behoefte aan technologische upgrades is het epitaxiale proces voortdurend geoptimaliseerd om een hoge epitaxiale siliciumwafelkwaliteit te bereiken.
Bovendien kan de huidige technologie epitaxiale lagen genereren met doteringselementen met weerstandsvermogen en doteringsconcentraties die verschillen van die van de originele siliciumwafel, waardoor het gemakkelijker wordt om de elektrische eigenschappen van de gegroeide siliciumwafel te controleren. Er kan bijvoorbeeld een laag N-type epitaxiale siliciumlaag worden gegenereerd op een P-type siliciumwafel, waardoor een gedoteerde PN-overgang met lage concentratie wordt gevormd, die de doorslagspanning kan optimaliseren en het grendeleffect bij de daaropvolgende chipproductie kan verminderen. De dikte van de epitaxiale laag varieert in het algemeen afhankelijk van het gebruiksscenario. Over het algemeen is de dikte van de logica-chip ongeveer 0,5 micron tot 5 micron, en de dikte van het voedingsapparaat ongeveer 50 micron tot 100 micron, omdat deze hoge spanning moet kunnen weerstaan.
▲ Epitaxiaal groeiproces van siliciumwafels
▲ Verschillende doping van epitaxiale wafels
SW (SOI-wafel):SOI staat voor Silicon-On-Insulator. SOI-siliciumwafels worden vaak gebruikt in RF-front-end-chips vanwege hun voordelen, zoals kleine parasitaire capaciteit, klein kortkanaaleffect, hoge overervingsdichtheid, hoge snelheid, laag stroomverbruik en vooral lage substraatruis.
▲ Gewone silicium MOS-structuur
▲SOI siliciumwafel MOS-structuur
Er zijn vier hoofdmethoden voor het vervaardigen van SOI-siliciumwafels:SIMOX-technologie, Bonding-technologie, Sim-bond-technologie en Smart-CutTM-technologie; Het principe van SOI-siliciumwafels is relatief eenvoudig en het kerndoel is het toevoegen van een isolerende laag (doorgaans voornamelijk siliciumdioxide SiO2) in het midden van het substraat.
▲Vier technologieën voor de productie van SOI-wafels
Vanuit het perspectief van prestatieparameters is de Smart-CutTM-technologie de meest uitstekende prestatie in de huidige SOI-productietechnologie voor siliciumwafels. De prestaties van de Simbond-technologie verschillen niet veel van die van de Smart-Cut-technologie, maar in termen van de dikte van het bovenste silicium is de SOI-siliciumwafel geproduceerd door de Smart-Cut-technologie dunner, en vanuit het perspectief van de productiekosten is Smart -Cut-technologie kan siliciumwafels hergebruiken. Voor toekomstige massaproductie heeft Smart-Cut-technologie meer kostenvoordelen, dus de industrie erkent Smart-Cut-technologie nu algemeen als de toekomstige ontwikkelingsrichting van SOI-siliciumwafels.
▲ Prestatievergelijking van verschillende SOI-wafelproductietechnologieën
SIMOX-technologie: SIMOX staat voor Separation by Implanted Oxygen. Zuurstofatomen worden in de wafel geïnjecteerd en vervolgens bij hoge temperatuur uitgegloeid om te reageren met de omringende siliciumatomen om een laag siliciumdioxide te vormen. De moeilijkheid van deze technologie is het beheersen van de diepte en dikte van de implantatie van zuurstofionen. Het stelt hoge eisen aan de ionenimplantatietechnologie.
Bondingtechnologie: Bondingtechnologie wordt ook wel bondingtechnologie genoemd. SOI-siliciumwafels gemaakt door bonding worden ook wel Bonded SOI of kortweg BSOI genoemd. Voor de bindingstechnologie zijn twee gewone siliciumwafels nodig, waarvan er één is gegroeid met een oxidelaag (SiO2) en vervolgens is verbonden met een andere siliciumbron. De verbinding is de oxidelaag. Tenslotte wordt het geslepen en gepolijst tot de gewenste diepte van de begraven laag (SiO2). Omdat bondingtechnologie eenvoudiger is dan ionenimplantatietechnologie, worden de meeste SOI-siliciumwafels momenteel gemaakt met behulp van bondingtechnologie.
▲Silicium-op-isolator
▲Wafer-verbindingsmethode om silicium op de isolator te vormen
Sim-bond-technologie:zuurstofinjectie-bondingtechnologie. Sim-bond-technologie is een combinatie van SIMOX en bond-technologie. Het voordeel is dat de dikte van de begraven oxidelaag met hoge precisie kan worden gecontroleerd. De eerste stap is het injecteren van zuurstofionen in een siliciumwafel, vervolgens uitgloeien bij hoge temperatuur om een oxidelaag te vormen, en vervolgens een SiO2-oxidelaag vormen op het oppervlak van de siliciumwafel. De tweede stap is het verbinden van de siliciumwafel met een andere wafer. Vervolgens uitgloeien bij hoge temperatuur om een perfect hechtingsoppervlak te vormen. De derde stap is het verdunningsproces. Het verdunnen wordt uitgevoerd met behulp van CMP-technologie, maar in tegenstelling tot de bond-technologie heeft sim-bond een zelfstoplaag, die automatisch stopt bij het slijpen op de SiO2-laag. Vervolgens wordt de SiO2-laag verwijderd door etsen. De laatste stap is polijsten.
Slimme snijtechnologie:slimme peelingtechnologie. Smart-cut-technologie is een uitbreiding van de lijmtechnologie. De eerste stap is het oxideren van een wafer en het genereren van een vaste dikte van SiO2 op het oppervlak van de wafer. De tweede stap is het gebruik van ionenimplantatietechnologie om waterstofionen in een vaste diepte van de wafer te injecteren. De derde stap is het hechten van een andere wafel aan de geoxideerde wafel. De vierde stap is het gebruik van thermische gloeitechnologie bij lage temperatuur om belletjes te vormen met waterstofionen, waardoor een deel van de siliciumwafel loslaat. Vervolgens wordt thermische gloeitechnologie op hoge temperatuur gebruikt om de hechtsterkte te vergroten. De vijfde stap is het afvlakken van het siliciumoppervlak. Deze technologie wordt internationaal erkend als de ontwikkelingsrichting van SOI-technologie. De dikte van de begraven oxidelaag wordt volledig bepaald door de diepte van de waterstofionenimplantatie, wat nauwkeuriger is. Bovendien kan de gepelde wafer worden hergebruikt, wat de kosten aanzienlijk verlaagt.
▲SIM-bond-methode om silicium-op-isolator te vormen
▲Smart-cut-methode om silicium-op-isolator te vormen
2. Productietechnologie met hoge barrières 1. Productietechnologie
De grondstof van siliciumwafels is kwarts, algemeen bekend als zand, dat rechtstreeks in de natuur kan worden gewonnen. Het wafelproductieproces kan in verschillende stappen worden voltooid: voornamelijk deoxidatie en zuivering, raffinage van polysilicium, monokristallijne siliciumstaven (siliciumstaven), walsen, wafelsnijden, wafelpolijsten, gloeien, testen, verpakken en andere stappen.
▲CZ (Czochralski) productieproces voor halfgeleiderwafels
▲CZ Farad enkelkristalschema
Deoxidatie en zuivering:De eerste stap bij de productie van siliciumwafels is het deoxideren en zuiveren van het kwartserts. De belangrijkste processen omvatten sorteren, magnetische scheiding, flotatie, ontgassing bij hoge temperatuur, enz. De belangrijkste ijzer- en aluminiumverontreinigingen in het erts worden verwijderd.
Polysilicium raffineren:Na het verkrijgen van relatief zuiver SiO2 wordt via chemische reacties monokristallijn silicium gegenereerd. De hoofdreactie is SiO2+C→Si+CO. Nadat de reactie is voltooid, verdampt CO direct, zodat er alleen siliciumkristallen overblijven. Op dit moment is het silicium polykristallijn silicium en het is ruw silicium dat veel onzuiverheden bevat. Om overtollige onzuiverheden eruit te filteren, moet het verkregen ruwe silicium worden gebeitst. Veelgebruikte zuren zijn zoutzuur (HCl), zwavelzuur (H2SO4), enz. Het siliciumgehalte na inweken in zuur ligt doorgaans boven de 99,7%. Tijdens het beitsproces worden echter ook ijzer, aluminium en andere elementen in het zuur opgelost en eruit gefilterd. Silicium reageert echter ook met zuur, waardoor SiHCl3 (trichloorsilaan) of SiCl4 (siliciumtetrachloride) ontstaat. Beide stoffen zijn echter in gasvormige toestand, waardoor na het beitsen de oorspronkelijke verontreinigingen zoals ijzer en aluminium in het zuur zijn opgelost, maar silicium gasvormig is geworden. Tenslotte wordt het zeer zuivere gasvormige SiHCl3 of SiCl4 gereduceerd met waterstof om zeer zuiver polykristallijn silicium te verkrijgen.
De CZ-methode produceert monokristallijn silicium:siliciumwafels worden voornamelijk gebruikt in logica- en geheugenchips, met een marktaandeel van ongeveer 95%; De CZ-methode is ontstaan uit Czochralski's tekening van dunne filamenten uit gesmolten metaal in 1918, en wordt daarom ook wel de CZ-methode genoemd. Dit is tegenwoordig de reguliere technologie voor het kweken van monokristallijn silicium. Het belangrijkste proces is om polykristallijn silicium in een smeltkroes te doen, het te verwarmen om het te smelten, en vervolgens een enkel kristallijn siliciumzaadkristal vast te klemmen en het boven de smeltkroes te hangen. Wanneer je het verticaal trekt, wordt het ene uiteinde in de smelt gestoken totdat het smelt, en dan wordt het langzaam gedraaid en naar boven getrokken. Op deze manier zal het grensvlak tussen de vloeistof en de vaste stof geleidelijk condenseren om een enkel kristal te vormen. Omdat het hele proces kan worden beschouwd als een proces waarbij het kiemkristal wordt gerepliceerd, is het gegenereerde siliciumkristal eenkristalsilicium. Bovendien wordt de dotering van de wafel ook uitgevoerd tijdens het trekken van het enkele kristal, gewoonlijk bij dotering in de vloeistoffase en dotering in de gasfase. Doping in de vloeibare fase verwijst naar de toevoeging van elementen van het P-type of N-type aan de smeltkroes. Tijdens het proces van het trekken van enkele kristallen kunnen deze elementen rechtstreeks in de siliciumstaaf worden getrokken.
▲CZ Faraday-eenkristalmethode
▲ Siliciumstaaf na het trekken van één kristal
Diameter rollen:Omdat het moeilijk is om de diameter van de monokristallijne siliciumstaaf te regelen tijdens het trekken van het monokristal, om de siliciumstaaf met een standaarddiameter te verkrijgen, zoals 6 inch, 8 inch, 12 inch, enz. Na het trekken van de siliciumstaaf eenkristal, de diameter van de siliciumstaaf wordt gerold. Het oppervlak van de siliciumstaaf na het rollen is glad en de maatfout is kleiner.
Afkanten snijden:Na het verkrijgen van de siliciumstaaf wordt de wafel gesneden. De siliciumstaaf wordt op een vaste snijmachine geplaatst en volgens het ingestelde snijprogramma gesneden. Omdat de dikte van de siliciumwafel klein is, is de rand van de gesneden siliciumwafel zeer scherp. Het doel van afschuinen is het vormen van een gladde rand. De afgeschuinde siliciumwafel heeft een lagere middenspanning, waardoor deze steviger is en niet gemakkelijk te breken is bij de toekomstige chipproductie.
Polijsten:Het belangrijkste doel van polijsten is om het oppervlak van de wafel gladder, vlak en schadevrij te maken en om de consistentie van de dikte van elke wafel te garanderen.
Proefverpakking:Na het verkrijgen van de gepolijste siliciumwafel moeten de elektrische eigenschappen van de siliciumwafel worden getest, zoals soortelijke weerstand en andere parameters. De meeste siliciumwafelfabrieken beschikken over epitaxiale waferdiensten. Als epitaxiale wafels nodig zijn, zal epitaxiale wafelgroei worden uitgevoerd. Als de epitaxiale wafel niet nodig is, wordt deze verpakt en verzonden naar andere epitaxiale wafelfabrieken of wafelfabrieken.
Zonesmeltmethode (FZ):Siliciumwafels die volgens deze methode worden gemaakt, worden voornamelijk gebruikt in sommige stroomchips, met een marktaandeel van ongeveer 4%; siliciumwafels gemaakt door FZ (zone-smeltmethode) worden voornamelijk gebruikt als stroomapparaten. En de grootte van siliciumwafels is voornamelijk 8 inch en 6 inch. Momenteel wordt ongeveer 15% van de siliciumwafels gemaakt volgens de zone-smeltmethode. Vergeleken met siliciumwafels gemaakt met de CZ-methode, is het grootste kenmerk van de FZ-methode dat deze een relatief hoge soortelijke weerstand en hogere zuiverheid heeft en bestand is tegen hoge spanning, maar het is moeilijk om wafers van groot formaat te maken en de mechanische eigenschappen zijn slecht. Daarom wordt het vaak gebruikt voor siliciumwafels van elektrische apparaten, en wordt het zelden gebruikt in geïntegreerde schakelingen.
Er zijn drie stappen bij het maken van monokristallijne siliciumstaven volgens de zone-smeltmethode:
1. Verhit polykristallijn silicium, maak contact met het entkristal en draai naar beneden om het monokristal te trekken. Gebruik in een ovenkamer onder vacuüm of een omgeving met inert gas een elektrisch veld om de polykristallijne siliciumstaaf te verwarmen totdat het polykristallijne silicium in het verwarmde gebied smelt en een gesmolten zone vormt.
2. Breng entkristal in contact met de gesmolten zone en smelt het.
3. Door de elektrische veldverwarmingspositie te verplaatsen, beweegt de gesmolten zone op het polysilicium continu naar boven, terwijl het kiemkristal langzaam roteert en zich naar beneden uitstrekt, waardoor geleidelijk een siliciumstaaf met één kristal wordt gevormd. Omdat bij de zone-smeltmethode geen gebruik wordt gemaakt van een smeltkroes, worden veel bronnen van vervuiling vermeden en heeft het door de zone-smeltmethode getrokken monokristal de kenmerken van hoge zuiverheid.
▲ FZ Farad monokristallijne ruimtestructuur
▲ Schematisch diagram van het trekken van een FZ-kristal
2. Productiekosten
Halfgeleider-siliciumwafels stellen hogere eisen aan zuiverheid en elektrische eigenschappen dan nieuwe energie-siliciumwafels, dus er zijn meer zuiveringsstappen en grondstoffentoevoer nodig in het productieproces, wat resulteert in een meer divers scala aan productiegrondstoffen. Daarom wordt het aandeel van de kosten voor siliciummateriaal relatief verlaagd, maar zal het aandeel van de productiekosten relatief toenemen.
Voor halfgeleider-siliciumwafels vormen de grondstofkosten de belangrijkste kosten, goed voor ongeveer 47% van de belangrijkste bedrijfskosten. De tweede zijn de productiekosten, die ongeveer 38,6% uitmaken. Net als de halfgeleiderindustrie is de siliciumwafelindustrie een kapitaalintensieve industrie met een grote vraag naar investeringen in vaste activa, die hoge productiekosten zullen genereren als gevolg van de afschrijving van vaste activa zoals machines en uitrusting. Ten slotte zijn de directe arbeidskosten goed voor ongeveer 14,4%.
Van de grondstofkosten voor de productie van siliciumwafels is polysilicium de belangrijkste grondstof, goed voor ongeveer 30,7%. De tweede zijn verpakkingsmaterialen, goed voor ongeveer 17,0%. Omdat halfgeleider-siliciumwafels hoge eisen stellen aan zuiverheid en vacuüm, vooral voor siliciumwafels, die gemakkelijk oxideren, zijn de vereisten voor verpakking veel hoger dan die voor siliciumwafels met nieuwe energie. Daarom nemen verpakkingsmaterialen in de kostenstructuur een groot deel voor hun rekening. Kwartskroezen zijn goed voor ongeveer 8,7% van de grondstofkosten. De kwartskroes die wordt gebruikt bij de productie van siliciumwafels van halfgeleiders is ook een wegwerpkroes, maar de fysieke en thermische eigenschappen van de smeltkroes zijn veeleisender. Polijstvloeistof, slijpschijf en polijstpad zijn in totaal goed voor 13,8% en worden voornamelijk gebruikt bij het polijsten van siliciumwafels.
▲Bedrijfskostenstructuur van de siliciumindustrie in 2018
▲Grondstofsamenstelling van de siliciumindustrie in 2018
De water- en elektriciteitskosten vertegenwoordigen ongeveer 15% van de productiekosten: Bij de productiekosten vertegenwoordigen de totale water- en elektriciteitskosten ongeveer 15% van de totale productiekosten, waarvan de elektriciteitskosten ongeveer 11,4% uitmaken en de waterkosten verantwoordelijk zijn voor ongeveer 3,4%. In termen van overeenkomstige bedragen zijn volgens de financiële gegevens van de Silicon Industry Group uit 2018 de totale kosten van elektriciteits- en waterkosten gelijk aan de kosten van verpakkingsmaterialen, goed voor ongeveer de helft van het polysiliciummateriaal. De elektriciteitskosten zijn iets hoger dan die van kwartskroezen, ongeveer 20%.
▲Aandeel van de productiekosten van de siliciumindustrie in 2018
▲ Gedeeltelijke kostensamenstelling van Silicon Industry Group in 2018 (eenheid: 10,000 yuan)
3, Vier belemmeringen voor de productie van siliciumwafels
De barrières voor siliciumwafels zijn relatief hoog, vooral voor halfgeleider-siliciumwafels. Er zijn vier belangrijke barrières: technische barrières, certificeringsbarrières, apparatuurbarrières en kapitaalbarrières.
▲ De belangrijkste belemmeringen voor de productie-industrie van siliciumwafels
Technische barrières:De technische indicatoren van siliciumwafels zijn relatief groot. Naast de gebruikelijke afmetingen, polijstdikte, enz., Zijn er ook kromtrekking, soortelijke weerstand, kromming, enz. Van siliciumwafels. In termen van reguliere siliciumwafels van 300 mm worden, vanwege de hoge uniformiteitseisen van geavanceerde processen voor siliciumwafels, vergeleken met 200 mm-wafels, parameters zoals vlakheid, kromtrekken, kromming en oppervlaktemetaalresiduen toegevoegd om de kwaliteitseisen van siliciumwafels van 300 mm te bewaken . In termen van zuiverheid moeten siliciumwafels met geavanceerde processen ongeveer 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%) zijn, wat de belangrijkste technische barrière is voor leveranciers van siliciumwafels.
Siliciumwafels zijn sterk op maat gemaakte producten; zuiverheid is de meest fundamentele parameter van siliciumwafels en tevens de belangrijkste technische barrière. Bovendien zijn siliciumwafels geen universele producten en kunnen ze niet worden gekopieerd. De specificaties van grote siliciumwafels in verschillende wafergieterijen zijn totaal verschillend, en de verschillende toepassingen van verschillende eindproducten zullen ook leiden tot totaal verschillende eisen aan siliciumwafels. Dit vereist dat fabrikanten van siliciumwafels verschillende siliciumwafels ontwerpen en vervaardigen op basis van verschillende eindklantproducten, wat de moeilijkheid van de levering van siliciumwafels verder vergroot.
▲Winstvoorspelling van de bedrijfssegmenten van het bedrijf
Certificeringsbelemmeringen:Chipfabrikanten stellen strenge eisen aan de kwaliteit van diverse grondstoffen en zijn zeer voorzichtig bij het selecteren van leveranciers. Er zijn hoge drempels om op de leverancierslijst van chipfabrikanten te komen. Normaal gesproken zullen chipfabrikanten eisen dat leveranciers van siliciumwafels een aantal siliciumwafels leveren voor proefproductie, en de meeste daarvan worden gebruikt voor testwafels, niet voor massaproductiewafels. Nadat de testwafels zijn doorstaan, worden kleine batches massaproductiewafels proefgeproduceerd. Nadat de interne certificering is behaald, stuurt de chipfabrikant de producten naar downstream-klanten. Na het verkrijgen van hun klantcertificering wordt de leverancier van siliciumwafels definitief gecertificeerd en wordt het koopcontract ondertekend. Het duurt lang voordat de producten van halfgeleider-siliciumwafelbedrijven de toeleveringsketen van chipfabrikanten betreden. De certificeringscyclus voor nieuwe leveranciers duurt minimaal 12-18 maanden.
Bovendien zijn er de certificeringsbarrières van testwafels naar massaproductiewafels: op dit moment blijven de meeste 12-inch-wafels in China in de levering van testwafels, maar de certificeringsprocedures voor testwafels zijn compleet anders dan die voor massaproductiewafels, en de certificeringsnormen voor massaproductie siliciumwafels zijn strenger. Omdat test-siliciumwafels geen chips produceren, hoeven ze alleen te worden gecertificeerd door de wafergieterij zelf, en hoeven ze alleen te worden gecertificeerd op de huidige productielocatie. Voor in massa geproduceerde siliciumwafels moeten deze echter worden gecertificeerd door terminalfabless-klanten en worden gecontroleerd tijdens alle stappen van het gehele productieproces voordat ze in batches kunnen worden geleverd. In het algemeen gesproken om de stabiliteit van de siliciumwafelaanvoer en de chipopbrengst te behouden. Zodra een wafelfabrikant en een leverancier van siliciumwafels een leveringsrelatie hebben opgebouwd, zullen ze niet gemakkelijk van leverancier veranderen, en beide partijen zullen een feedbackmechanisme opzetten om aan persoonlijke behoeften te voldoen, en de kleverigheid tussen leveranciers van siliciumwafels en klanten zal blijven toenemen. Als een nieuwe fabrikant van siliciumwafels zich bij de leveranciers voegt, moet deze een nauwere samenwerkingsrelatie en een hogere kwaliteit van siliciumwafels bieden dan de oorspronkelijke leverancier. Daarom is in de siliciumwafelindustrie de kleverigheid tussen de leveranciers van siliciumwafels en de waferfabrikanten relatief groot, en is het moeilijk voor nieuwe leveranciers om de kleverigheid te doorbreken.
Apparatuurbarrières:De kernapparatuur voor het vervaardigen van siliciumwafels is de eenkristaloven, die kan worden omschreven als de "fotolithografiemachine" in siliciumwafels. De eenkristalovens van de internationale reguliere fabrikanten van siliciumwafels worden allemaal door henzelf vervaardigd. De eenkristalovens van Shin-Etsu en SUMCO worden bijvoorbeeld onafhankelijk ontworpen en vervaardigd door het bedrijf of ontworpen en vervaardigd via dochterondernemingen, en andere fabrikanten van siliciumwafels kunnen ze niet kopen. Andere grote fabrikanten van siliciumwafels hebben hun eigen onafhankelijke leveranciers van eenkristalovens en ondertekenen strikte vertrouwelijkheidsovereenkomsten, waardoor het voor externe fabrikanten van siliciumwafels onmogelijk wordt om gewone eenkristalovens te kopen, of ze kunnen alleen gewone eenkristalovens kopen, maar kunnen geen eenkristalovens met hoge specificaties leveren. . Daarom zijn apparatuurbarrières ook de reden waarom binnenlandse fabrikanten geen toegang kunnen krijgen tot de reguliere leveranciers van mondiale siliciumwafels.
Kapitaalbarrières:Het productieproces van halfgeleider-siliciumwafels is complex en vereist de aanschaf van geavanceerde en dure productieapparatuur, en vereist ook voortdurende aanpassing en foutopsporing volgens de verschillende behoeften van klanten. Vanwege de hoge vaste kosten, zoals de afschrijving van apparatuur, hebben veranderingen in de downstream-vraag een grotere impact op de bezettingsgraad van siliciumwafelbedrijven, en dus op de winsten van siliciumwafelproductiebedrijven. Met name bedrijven die net de siliciumwafelindustrie hebben betreden, hebben bijna verlies geleden voordat ze grootschalige leveringen hebben bereikt, en stellen hoge eisen aan kapitaalbarrières. Bovendien moeten fabrikanten van siliciumwafels, vanwege de lange certificeringscyclus van waferfabrieken voor siliciumwafels, gedurende deze periode blijven investeren, wat ook veel geld vergt.
3. Zal nog steeds de koning van halfgeleidermaterialen zijn. Momenteel wordt de markt voor halfgeleiderwafels gedomineerd door siliciummaterialen. Siliciummaterialen zijn goed voor ongeveer 95% van de gehele halfgeleidermarkt. Andere materialen zijn voornamelijk samengestelde halfgeleidermaterialen, voornamelijk GaAs-wafels van halfgeleidermateriaal van de tweede generatie en halfgeleidermaterialen van de derde generatie SiC- en GaN-wafels. Onder hen zijn siliciumwafels voornamelijk logische chips, geheugenchips, enz., en zijn ze de meest gebruikte halfgeleiderwafelmaterialen. GaAs-wafels zijn voornamelijk RF-chips en de belangrijkste toepassingsscenario's zijn laagspanning en hoge frequentie; Halfgeleidermaterialen van de derde generatie zijn voornamelijk chips met hoog vermogen en hoge frequentie, en de belangrijkste toepassingsscenario's zijn hoge frequentie en hoog vermogen.
▲ Wafelmateriaalverhouding
▲Toepassingsbereik van wafers van verschillende materialen
Samengestelde halfgeleiders en siliciummaterialen staan niet in een competitieve relatie, maar in een complementaire relatie; de ontwikkelingswetten van halfgeleidermaterialen (vooral wafers, substraten en epitaxiale wafermaterialen) omvatten drie routes, namelijk grootte, snelheid en kracht, en de drie routes komen overeen met de halfgeleidermaterialen van de eerste, tweede en derde generatie.
▲ Prestatievergelijking van materialen van de eerste/tweede/derde generatie
Halfgeleidermaterialen van de eerste generatie:Grote route: De halfgeleidermaterialen van de eerste generatie verwijzen naar siliciummaterialen. Siliciummaterialen zijn de vroegst ontwikkelde wafermaterialen en zijn ook de materialen met de meest volwassen technologie, de laagste kosten en de meest complete industriële keten in dit stadium. Tegelijkertijd nemen de kosten van een enkele chip af naarmate de omvang van siliciumwafels toeneemt. De belangrijkste toepassingsgebieden zijn logicachips en laagspanningsvelden met laag vermogen. De grootte van siliciumwafels varieert van 2 inch, 4 inch, 6 inch, 8 inch, tot de huidige mainstream 12-inch wafertechnologie. Typische siliciumwafelbedrijven zijn onder meer het Japanse Shin-Etsu Chemical, Sumco, enz. Momenteel gebruiken de belangrijkste internationale wafelfabrieken siliciummaterialen als het belangrijkste productiemateriaal.
▲Vergelijking van verschillende wafelformaten
Halfgeleidermaterialen van de tweede generatie:hogesnelheidstraject. Omdat de chip hoogfrequente schakelingen in het RF-circuit moet kunnen weerstaan, werd de halfgeleiderwafel van de tweede generatie uitgevonden. Het belangrijkste toepassingsgebied is het RF-circuit, en het typische terminalveld is de RF-chip van mobiele terminals zoals mobiele telefoons. De halfgeleider van de tweede generatie wordt voornamelijk vertegenwoordigd door GaAs (galliumarsenide) en InP (indiumfosfide), waaronder GaAs tegenwoordig het algemeen gebruikte RF-chipmateriaal voor mobiele terminals. Typische gieterijbedrijven zijn Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo, enz., Dit zijn IDM-bedrijven met RF-chips. De huidige mainstream zijn 4-inch- en 6-inch-wafels.
Halfgeleidermaterialen van de derde generatie:krachtige route: vrijwel op hetzelfde startpunt, met de meeste mogelijkheden. De derde route is het vergroten van het vermogen, wat de wijdverbreide toepassing ervan op het gebied van hoogvermogencircuits zal bevorderen. De belangrijkste materialen zijn SiC en GaN. De belangrijkste terminals zijn industriële, automobiel- en andere gebieden. De energieroute ontwikkelde IGBT-chips op siliciummaterialen, terwijl SiC (siliciumcarbide) en GaN (galliumnitride) materialen betere prestaties leveren dan IGBT. Momenteel zijn SiC-wafels voornamelijk 4-inch en 6-inch, en GaN-materialen zijn voornamelijk 6-inch en 8-inch. Tot de belangrijkste gieterijen ter wereld behoren Cree en Wolfspeed in de Verenigde Staten en X-Fab in Duitsland. Op dit gebied verloopt de ontwikkeling van internationale reuzen echter ook relatief langzaam. Binnenlandse bedrijven zoals Sanan Optoelectronics bevinden zich, hoewel er nog steeds een zekere kloof is in het technologieniveau, in de beginfase van de hele industrie en zullen hoogstwaarschijnlijk het buitenlandse monopolie doorbreken en een plaats innemen op de internationale machtsgieterijkaart.
Samengestelde materialen vereisen siliciumsubstraten:Hoewel er momenteel een groot aantal SiC- en GaN-waferchips zijn, zoals de GaN-laders die zijn uitgebracht door Xiaomi, OPPO en Realme, en het model3 dat is uitgebracht door Tesla, gebruikt SiC MOSFET in plaats van IGBT. Voor wafers gebruiken de meeste samengestelde halfgeleiderchips voor consumenten momenteel echter siliciumwafels als substraten, en maken vervolgens samengestelde epitaxiale wafers, en maken vervolgens chips op epitaxiale wafers.
De kosten van samengestelde halfgeleiderwafels zijn relatief hoog:Momenteel is, als gevolg van de onvolledigheid van de industriële keten van samengestelde halfgeleiders, de productiecapaciteit voor samengestelde halfgeleiders laag en is de prijs van samengestelde halfgeleiderwafels relatief hoog. Dit leidt tot een lage acceptatie door de eindgebruiker, en de reguliere oplossing voor consumentenelektronica is nog steeds "siliciumsubstraat + samengestelde epitaxiale wafer". In de automobielsector is op silicium gebaseerde IGBT nog steeds de reguliere oplossing. Op silicium gebaseerde IGBT-chips hebben lage kosten en een breed scala aan optionele spanningen. De prijs van SiC MOSFET-apparaten is 6 tot 10 keer die van op silicium gebaseerde IGBT's. Als we de prestatieparameters van SiC-MOSFET en Si-IGBT vergelijken onder de technische parameters van 650V/20A van Infineon, is SiC-MOSFET nog steeds superieur aan Si-IGBT in termen van prestatieparameters, maar in termen van prijs is SiC-MOSFET zeven keer zo hoog als die van SiC-MOSFET. Si-IGBT. Naarmate de aan-weerstand van SiC-apparaten afneemt, neemt de prijs van SiC-MOSFET bovendien exponentieel toe. Als de aan-weerstand bijvoorbeeld 45 milli-ohm is, is de SiC-MOSFET slechts $57,6, als de aan-weerstand 11 milli-ohm is, is de prijs $159,11, en als de aan-weerstand gelijk is aan 6 milli-ohm, heeft de prijs het hoogste punt bereikt. $ 310,98.
▲Infineon SiC-MOSFET versus Si-IGBT-vergelijking
▲ Infineon SiC-MOSFET-relatie tussen prijs en weerstand
4. Binnenlandse inspanningen hebben een enorm marktpotentieel gecreëerd.
1. De markt voor siliciumwafels gaat een groeicyclus in.
Het aandeel halfgeleiderproductiematerialen is jaar na jaar toegenomen. Halfgeleidermaterialen kunnen worden onderverdeeld in verpakkingsmaterialen en productiematerialen (inclusief siliciumwafels en verschillende chemicaliën, enz.). Op de lange termijn volgen de productiematerialen voor halfgeleiders en de verpakkingsmaterialen dezelfde trend. Sinds 2011, met de voortdurende ontwikkeling van geavanceerde processen, is het verbruik van halfgeleiderproductiematerialen echter geleidelijk toegenomen en is de kloof tussen productiematerialen en verpakkingsmaterialen geleidelijk groter geworden. In 2018 bedroeg de verkoop van productiematerialen 32,2 miljard dollar, en de verkoop van verpakkingsmaterialen 19,7 miljard dollar, en de productiematerialen ongeveer 1,6 maal die van verpakkingsmaterialen. Van de halfgeleidermaterialen zijn productiematerialen goed voor ongeveer 62% en verpakkingsmaterialen voor 38%.
▲Aandeel van het verbruik van halfgeleidermateriaal in 2018
▲ Kostenverhouding halfgeleiderproductiemateriaal
Siliciumwafels zijn de grootste verbruiksartikelen bij de productie van halfgeleiders; Van de productiematerialen nemen siliciumwafels, als grondstof voor halfgeleiders, het grootste deel voor hun rekening, met een aandeel van 37%. Sinds 2017, met de nederlaag van Lee Sedol door "AlphaGo", zijn nieuwe stertechnologieën onder leiding van kunstmatige intelligentie de belangrijkste technologieën die de ontwikkeling van mondiale halfgeleiders aandrijven. Met name in 2018 steeg de mondiale vraag naar geheugen, in combinatie met de uitbraak van blockchain-technologie, en bereikte de vraag naar siliciumwafels een recordhoogte. De toename van de wereldwijde verzending van halfgeleiders heeft ook geleid tot de snelle toename van de verzending van siliciumwafels. In termen van verzendingen overschreed het wereldwijde transportgebied van siliciumwafels in 2018 voor het eerst de 10 miljard vierkante inch, tot 12,7 miljard vierkante inch. In 2019 daalde het verzendoppervlak als gevolg van handelsfricties in de eerste helft van het jaar tot 11,8 miljard vierkante inch. In termen van marktomzet bedroeg de omzet op de wereldmarkt in 2018 11,4 miljard dollar, en in 2019 bedroeg deze 11,2 miljard dollar.
▲2009-2019 Wereldwijd verzendgebied voor siliciumwafels
▲2009-2019 Wereldwijde verkoop van siliciumwafels
Vanuit het perspectief van wafersegmentatie, als gevolg van de hoge kosten van halfgeleidermaterialen van de tweede en derde generatie, en het feit dat de meeste samengestelde halfgeleiders gebaseerd zijn op siliciumwafels, zijn siliciumwafels verantwoordelijk voor 95% van de mondiale wafersubstraten. Vanuit het perspectief van specifieke wafelformaten zijn 12-inch-wafels het belangrijkste type wereldwijde siliciumwafels. In 2018 waren 12-inch-wafels goed voor 64% van de wereldwijde verzendingen van siliciumwafels, en 8-inch-wafels waren goed voor 26%.
▲ Verzendverhouding van siliciumwafels op maat
Vanuit het perspectief van terminaltoepassingen bestaat het mondiale verbruik van 12-inch wafers voornamelijk uit geheugenchips, waarbij Nand Flash en DRAM-geheugen in totaal ongeveer 75% voor hun rekening nemen, waarvan Nand Flash ongeveer 33% van de wafers verbruikt, en Nand Flash flash heeft 35% van de downstream-markt op de smartphonemarkt. Het is duidelijk dat de toename van het aantal verkochte smartphones en de capaciteit de belangrijkste factor is die de verzending van 12-inch-wafers aanstuurt. Van de 12-inch wafers zijn logische chips goed voor ongeveer 25%, DRAM ongeveer 22,2% en andere chips zoals CIS ongeveer 20%.
2. De Chinese markt voor halfgeleider-siliciumwafels beschikt over een enorme ruimte
De Chinese markt voor halfgeleidermaterialen is gestaag gegroeid. In 2018 bedroeg de wereldwijde verkoop van halfgeleidermaterialen 51,94 miljard dollar, een stijging op jaarbasis van 10,7%. Onder hen bedroeg de Chinese omzet 8,44 miljard dollar. In tegenstelling tot de wereldmarkt is de Chinese verkoop van halfgeleidermaterialen sinds 2010 gegroeid, en tussen 2016 en 2018 gedurende drie opeenvolgende jaren met ruim 10%. De mondiale markt voor halfgeleidermaterialen wordt sterk beïnvloed door cyclische factoren, vooral in Taiwan. , China en Zuid-Korea, waar de schommelingen groot zijn. De Noord-Amerikaanse en Europese markten bevinden zich bijna in een staat van nulgroei. De Japanse halfgeleidermaterialen bevinden zich al lange tijd in een staat van negatieve groei. Wereldwijd bevindt alleen de markt voor halfgeleidermaterialen op het vasteland van China zich in een langetermijngroeiperiode. De Chinese markt voor halfgeleidermaterialen staat in schril contrast met de wereldmarkt.
▲ Mondiale verkoop en groeipercentage van halfgeleidermaterialen (in miljard dollar)
▲Jaarlijkse verkoop van halfgeleidermaterialen per land en regio (eenheid: miljard dollar)
Mondiale halfgeleidermaterialen verschuiven geleidelijk naar de Chinese markt op het vasteland. Van het omzetaandeel van verschillende landen en regio's waren de drie grootste landen of regio's in 2018 goed voor 55%, en het regionale concentratie-effect is duidelijk. Onder hen is Taiwan en China goed voor ongeveer 23% van de mondiale wafelproductiecapaciteit, waardoor het de regio is met de grootste productiecapaciteit ter wereld. De omzet van halfgeleidermaterialen bedraagt 11,4 miljard dollar, goed voor 22% van de wereldmarkt, staat op de eerste plaats, en het is al negen jaar op rij de grootste consumptieregio voor halfgeleidermaterialen ter wereld. Zuid-Korea is goed voor ongeveer 20% van de mondiale productiecapaciteit voor wafels, met een omzet van halfgeleidermateriaal van 8,72 miljard dollar, goed voor 17%, en staat daarmee op de tweede plaats. Het vasteland van China is goed voor ongeveer 13% van de mondiale productiecapaciteit, met een omzet van halfgeleidermaterialen van 8,44 miljard dollar, goed voor ongeveer 16% van de wereldproductie en staat daarmee op de derde plaats. Op de lange termijn is het marktaandeel van halfgeleidermaterialen op het Chinese vasteland echter jaar na jaar toegenomen, van 7,5% in 2007 naar 16,2% in 2018. De mondiale halfgeleidermaterialen verschuiven geleidelijk naar de Chinese vastelandmarkt.
▲ Verkoopaandeel per land en regio in 2018
▲ Verkoop en aandeel van halfgeleidermaterialen op het vasteland van China (in miljard dollar)
De mondiale productiecapaciteit voor wafels zal een explosieve groei inluiden. De 12-inch waferfabriek, die de meest geavanceerde technologie in de hedendaagse waferfabrieken vertegenwoordigt, bevond zich tussen 2017 en 2019 op zijn hoogtepunt in de bouw, met een gemiddelde van 8 12-inch waferfabrieken die elk jaar wereldwijd worden toegevoegd. Er wordt geschat dat er in 2023 wereldwijd 138 12-inch wafelfabrieken zullen zijn. Volgens de statistieken van IC Insight hebben grote wafelfabrieken over de hele wereld, vanwege de onzekerheid over de Chinees-Amerikaanse handelsoorlog in de eerste helft van 2019, hun plannen voor capaciteitsvergroting uitgesteld, maar niet geannuleerd. Met het herstel van de Chinees-Amerikaanse handel in de tweede helft van 2019 en het uitbreken van de 5G-markt handhaafde de wereldwijde productiecapaciteit voor wafels in 2019 nog steeds een stijging van 7,2 miljoen stuks. Met de komst van de vervangingsgolf op de 5G-markt zal de mondiale productiecapaciteit voor wafels echter een piekperiode van stijging inluiden van 2020 tot 2022, met een driejarige stijging van respectievelijk 17,9 miljoen stuks, 20,8 miljoen stuks en 14,4 miljoen stuks. zal in 2021 een recordhoogte bereiken. Deze wafercapaciteiten zullen zich bevinden in Zuid-Korea (Samsung, Hynix), Taiwan (TSMC) en het vasteland van China (Yangtze River Storage, Changxin Storage, SMIC, Huahong Semiconductor, enz.). Het vasteland van China zal verantwoordelijk zijn voor 50% van de capaciteitstoename.
▲Aantal 12-inch wafelfabrieken wereldwijd, 2002-2023
▲ Toename van de mondiale productiecapaciteit (eenheid: miljoen stuks/jaar, 8-inch equivalente wafel)
De bouw van wafelfabrieken op het vasteland van China zal een periode van snelle groei inluiden. Sinds 2016 is het vasteland van China actief gaan investeren in de bouw van wafelfabrieken, en er is een golf van fabrieksbouw op gang gekomen. Volgens de voorspelling van SEMI zullen er tussen 2017 en 2020 wereldwijd 62 wafelfabrieken worden gebouwd en in productie worden genomen, waarvan 26 in China, goed voor 42% van het totaal. Het aantal constructies in 2018 bedroeg 13, goed voor 50% van de uitbreiding. Het resultaat van de uitbreiding zal ongetwijfeld leiden tot een toename van de kapitaaluitgaven en de uitrustingsuitgaven voor wafelfabrieken. Volgens SEMI zal de geïnstalleerde capaciteit van waferfabrieken op het Chinese vasteland tegen 2020 4 miljoen 8-inch equivalente wafers per maand bereiken, vergeleken met 2,3 miljoen in 2015, met een jaarlijks samengesteld groeipercentage van 12%, wat neerkomt op veel hoger dan in andere regio’s. Tegelijkertijd heeft het National Big Fund ook zwaar geïnvesteerd in de halfgeleiderindustrie. In de eerste fase van de investeringen van het Big Fund was de maakindustrie goed voor maar liefst 67%, veel meer dan de ontwerpindustrie en de verpakkings- en testindustrie.
▲2010-2020 China's investering in de productie van halfgeleiderwafels (eenheid: 100 miljoen dollar)
▲Investeringsratio van de eerste fase van het Nationaal Big Fund
Eind 2019 zijn er nog steeds 9 8-inch waferfabrieken en 10 12-inch waferfabrieken in aanbouw of planning in China. Omdat de meeste Chinese wafelfabrieken in 12-inch momenteel in proefproductie of productie in kleine series zijn, bevinden ze zich bovendien aan de onderkant van de productiecapaciteit. Na het verkrijgen van productverificatie door klanten en marktverificatie, zal de productiecapaciteit een opstartfase ingaan en zal er een enorme vraag zijn naar upstream-grondstoffen.
▲Nieuwe wafelfabrieken in China
De populariteit van 5G heeft geleid tot een toename van het siliciumgehalte van terminals: van het tijdperk van smartphones, beginnend met de iPhone 3, tot de 4G-mobiele telefoons vertegenwoordigd door de iPhone 5, en uiteindelijk tot het huidige tijdperk van 5G-mobiele telefoons. Het siliciumgehalte van mobiele telefoons blijft stijgen. Volgens de materiaalkostenanalyse van mobiele telefoons door het ontmantelen van organisaties zoals tech Insights en iFixit, is de eenheidswaarde van de belangrijkste chips van mobiele telefoons, zoals mobiele telefoonprocessors (AP), basisbandverwerkingschips (BP), geheugen (Nand flash , DRAM), cameramodules (CIS), radiofrequentiechips (RF), energiebeheerchips (PMIC), Bluetooth/wifi-chips, enz., hebben een geleidelijke toename laten zien, en het aandeel van de totale waarde van de eenheid is toegenomen jaar na jaar. Hoewel in de iPhone X-fase het aandeel chips afnam als gevolg van veranderingen in het scherm, met daaropvolgende voortdurende optimalisatie, is het aandeel chipkosten ook jaar na jaar toegenomen. In het iPhone 11 pro max-tijdperk, het hoogtepunt van 4G mobiele telefoons, heeft het aandeel van de belangrijkste chips 55% bereikt en bedraagt de waarde van een enkel apparaat ongeveer 272 dollar. In de evolutie van iPhone 3 naar iPhone 11 Pro Max is de camera van de mobiele telefoon veranderd van enkele opname naar 3 opnames, is het lichaamsgeheugen toegenomen van 8 GB naar 512 GB, is het aandeel silicium per eenheid toegenomen van 37% naar 55% , en de waarde per eenheid is gestegen van 68 dollar naar 272 dollar.
2020 is het eerste jaar van massaproductie van 5G mobiele telefoons. Volgens de demontageanalyse van de Samsung S20- en Xiaomi 10-mobiele telefoons die zijn uitgebracht, zijn de waarde en het aandeel van de belangrijkste chips per eenheid verder toegenomen in vergelijking met 4G-mobiele telefoons. Voor Samsung zijn de belangrijkste chips verantwoordelijk voor 63,4% van de totale materiaalkosten, en de waarde per eenheid heeft US$335 bereikt, wat 23% hoger is dan die van iPhone 11 Pro Max. Voor Xiaomi is het aandeel hoofdchips zelfs nog hoger, namelijk 68,3%, en de waarde per eenheid hoofdchips heeft ook 300 dollar bereikt. Volgens de demontage van de Samsung S20 en Xiaomi 10 wordt geschat dat de belangrijkste chips in de initiële 5G mobiele telefoons ongeveer 65%~70% voor hun rekening zullen nemen, en dat de waarde van een enkele machine rond de US$ zal liggen.{{18} }.
▲BOM-kostenoverzicht van reguliere smartphones
▲ Kostenverhouding van hoofdchips in verschillende mobiele telefoons
De constructie van waferfabrieken vergroot de vraag naar siliciumwafels: de uitbreiding van de capaciteit van de waferfabriek zal onvermijdelijk leiden tot een toename van de vraag naar siliciumwafels. Momenteel heeft China zwaar geïnvesteerd in waferfabrieken, waardoor een geheugenindustrie is ontstaan die wordt gedomineerd door Yangtze Memory Technologies en Hefei Changxin, een logica-chipindustrie die wordt gedomineerd door SMIC, een productielijn voor speciale processen die wordt gedomineerd door Huahong Semiconductor en Jetta Semiconductor, en een gieterij voor elektrische apparaten. gedomineerd door China Resources Microelectronics en Silan Microelectronics. Momenteel is het groeipercentage van de verkoop van siliciumwafels op het vasteland van China in 2017/2018 hoger dan 40%. En profiterend van de trend van grote fondsinvesteringen en binnenlandse substitutie, hebben downstream waferfabrieken hun productiecapaciteit volledig uitgebreid, waardoor de vraag naar upstream siliciumwafels is toegenomen. Volgens de voorspelling van SUMCO zal de vraag naar 8-inch siliciumwafels op het vasteland van China in 2020 ongeveer 970,000 stuks bedragen, en zal de vraag naar 12-inch wafers 1,05 miljoen stuks bedragen.
▲ Verkoop en groeipercentage van siliciumwafels op het Chinese vasteland (eenheid: US$ miljard)
▲Veranderingen in de vraag naar siliciumwafels op het vasteland van China (eenheid: 10,000 stuks/maand)
Prijsverhogingscyclus + geavanceerd proces bevordert "prijs"-verhoging: Volgens de historische berekening van de prijs van siliciumwafels staat deze momenteel aan het begin van een nieuwe ronde van prijsverhogingscyclus. Van 2009 tot 2011 werden smartphones snel populair, het siliciumgehalte van mobiele telefoons nam toe en de prijs van silicium per oppervlakte-eenheid bleef stijgen, tot $ 1,09/vierkante inch in 2011. Later Met de toename van de voorraad siliciumwafels en de daling van de verkoop van smartphones bleef de prijs van siliciumwafels per oppervlakte-eenheid dalen en bereikte het laagste punt in 2016, op $ 0,67/vierkante inch. In 2016 versloeg Google's "AlphaGo" Lee Sedol, waardoor kunstmatige intelligentie het toneel van de geschiedenis betrad. De mondiale vraag naar siliciumwafels nam toe en ging een nieuwe ronde van prijsstijgingen in. Met de introductie van 5G mobiele telefoons in 2019 bereikte de prijs van siliciumwafels per oppervlakte-eenheid $ 0,94. Met de grootschalige introductie van 5G mobiele telefoons in 2020, die de wereldwijde vraag naar siliciumwafels stimuleert, wordt verwacht dat er in de toekomst 2-3 jaar ruimte zal zijn voor prijsstijgingen.
Geavanceerde processen drijven de prijzen op; halfgeleider-siliciumwafels vormen het basismateriaal voor de productie van chips en eventuele kwaliteitsschommelingen zullen ernstige gevolgen hebben voor de chips. Met de voortdurende ontwikkeling van geavanceerde processen worden de onzuiverheidseisen voor halfgeleider-siliciumwafels steeds hoger. Hogere eisen maken het productieproces van siliciumwafels steeds moeilijker, waardoor de prijs steeds hoger wordt. Voor dezelfde siliciumwafel van 12-inch is de prijs van siliciumwafels van 7 nm proces bijvoorbeeld 4,5 keer de prijs van siliciumwafels van 90 nm. Momenteel worden de wafelfabrieken op het vasteland van China voornamelijk gebouwd met 12-inch wafers, en de prijs van siliciumwafels is veel hoger dan die van 8-inch wafers. Tegelijkertijd hebben de gieterijen van logica-chips, vertegenwoordigd door SMIC en Huahong Semiconductor, het proces geleidelijk overgedragen van het 28 nm- naar het 16/14 nm-proces, waardoor de totale prijs van siliciumwafels is gestegen.
Sinds de productielijn voor 12-inch in 2000 voor het eerst ter wereld werd geopend, is de marktvraag aanzienlijk toegenomen. In 2008 overschreed het verzendvolume voor het eerst de siliciumwafels van 8-inch, en in 2009 overschreed het de som van het verzendoppervlak van siliciumwafels van andere formaten. Van 2016 tot 2018 bedroeg de samengestelde jaarlijkse groei van 12-inch siliciumwafels, als gevolg van de bloeiende ontwikkeling van opkomende markten zoals AI, cloud computing en blockchain, 8%. In de toekomst zal het marktaandeel van 12-inch siliciumwafels blijven toenemen. Volgens gegevens van SUMCO zal er de komende 3-5 jaar nog steeds een kloof bestaan in de mondiale vraag en aanbod van siliciumwafels van 12-inch, en deze kloof zal groter en groter worden naarmate de welvaart van de halfgeleiderindustrie toeneemt. cyclus toeneemt. Tegen 2022 zal er een kloof zijn van 1000.000 per maand. Als opkomende productiebasis voor halfgeleiders in de wereld zal China's enorme kloof op het gebied van siliciumwafels de snelheid van de lokalisatie van siliciumwafels bevorderen.
Volgens de statistieken van SUMCO bedroeg het verkoopbedrag van siliciumwafels op het vasteland van China in 2018 ongeveer 930 miljoen dollar, een stijging op jaarbasis van 45%, waardoor het de snelst groeiende markt voor siliciumwafels ter wereld is. Profiteren van de uitbreidingsplannen van grote waferfabrieken zoals Yangtze Memory, SMIC en Changxin Storage in 2020-2022. Er wordt geschat dat tegen het einde van 2022 de vraag naar gelijkwaardige siliciumwafels van 12-inch op het vasteland van China 2,01 miljoen per maand zal bereiken, met een marktruimte van 20 miljard yuan.
Sibranch is van mening dat, als ontvanger van de derde overdracht van de halfgeleiderindustrie, het aandeel van mijn land in de verkoop van halfgeleiders op de wereldmarkt blijft stijgen. Bovendien is mijn land 's werelds grootste producent, exporteur en consument van consumentenelektronicaproducten, en kent het een grote vraag naar halfgeleiderproducten. Daarom zal het lokalisatieniveau een grote impact hebben op de industriële veiligheid. Mijn land is de grootste en meest basale variant op de markt voor materiaal voor de vervaardiging van wafels en heeft tekortkomingen op het gebied van siliciumwafels, en dit is prominenter aanwezig bij grote siliciumwafels. Met de steun van nationaal beleid en nationale fondsen hebben veel Chinese bedrijven echter productielijnen gepland en grote halfgeleider-siliciumwafels aangelegd.