半导体设备和材料硅片深度分析.docx
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半导体设备和材料硅片深度分析
半导体设备和材料硅
片深度分析
1.硅片是市场规模最大的一类半导体材料2・硅片行业规模主要受价格影响,全球供给高度集中
2.1需求短期受疫情影响,中长期应用领域正在拓展
3.2进口替代与产业安全视角下,半导体硅片迎来发展期・・・・・"21
1.硅片是市场规模最大的一类半导体材料
半导体设备和材料的市场规模都在百亿美元级别,但支撑着10倍于自身规模的半导体制造,而半导体制造又是发展电子信息通讯等各个产业的关键。
2019年全球半导体销售额4121亿美元,其中集成电路(IC)产业销售额占比超过80%,是半导体产业的核心。
半导体设备和材料广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域,其中IC领域应用占1:
倂口难度最大。
图1:
半字体和集成电路市场规模结构
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资料来全球半导保奧势统汁ftt拱(WSTS).招商規行研眾闻
IC产业技术工艺复杂,尤其随着先进制程的发展,工艺精细度要求
越来越高,这使得几十年发展下来,形成了高度专业化的分工,不仅有IC设计、晶圆制造和封装测试三大核心环节,这三大环节也有进
步分工,并延伸出了相应的产业链。
例如IC设计的上游有专业的
IP和EDA公司扉圆制造和封测也需要配套的各类设备和材隼斗供应商。
半导体硅片就是典型的制造材料。
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图3:
斗字体硅片产业健及市场規樸(20194)
市场席實歳:
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半导体硅片
市场规模•112亿黄%
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作为百亿美元级别的行业,半导体材料的市场规模不算很大,但其内
部材料种类繁多,单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差
异较大。
全球范围来看,不存在纯粹只提供半导体材料的龙头公司,
规模较大的材料企业除半导体材料外,主营业务往往还涉及其他化学
品领域。
不同细分行业的龙头企业之间竞争关系也比较弱,例如硅晶
圆和光刻胶的代表企业信越化学和杜邦公司,半导体材料都只是他们
业务的一部分。
在主要制造材料中(即硅片、光刻胶及配套化学品、电子气体、光掩模、抛光材料、湿法化学品与溅射靶材),硅片的市场份额约36%,是规模最大的一类半导体材隼斗。
图4:
201S年全球半导体材料审场外构
处片
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牠光甘料
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光刘胶fc套化学話y7%r尢掩揆
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壹卄来源;SEMI.扌3商轅行瞬七悅
第一代半导体材料包括硅(Six错(Ge);第二代半导体材料包括碎
化镌(GaAs)锤化钢(InSb);GaAsAI、GaAsP等化合物半导体;
第三代轄体材料包括碳化召圭(Sic)、氮化锲GaNX氧化张ZnO)
为代表的宽禁带核斗。
在材料领域第一、第二和第三代的分类并不代表"后一代优于前一代",第三代半导体正在高速发展中,第一、二代材料也仍在产业中大规模应用。
目前90%以上的IC产品和太阳能产品是由硅基材料制作。
作为衬底材料,硅片主要应用于太阳能与半导体两大领域,在半导体行业中硅片也被称为硅晶圆,应用于这两大领域的硅片的主要差异有:
1、夕卜观差异,硅晶圆为圆片,一般以直径区分规格,具体从50.8mm到450mm不等,通常被称为6
寸片、8寸片(200mm),12寸片(300mm)、18寸片(450mm)。
太阳能硅片为了便于定型和安装,外观为方片或准方片,一般以边长
区分规格,具体有M2(156.75mm)、G1(158.75mm)、M6
(166mm)、MIO(182mm)G12(210mm)等。
2、JW斗差异,
生产半导体硅片需要用到电子级多晶硅,电子级多晶硅料的纯度至少要求9个9,部分工艺甚至要求12个9及以上。
太阳能级多晶
硅纯度6-9个9即可。
此外电子级硅料对杂质控制有苛刻要求,例如三氯氢硅除硼就是国内电子级多晶硅材料生产的技术瓶颈之一。
3、衡量半导体硅片的参数更多,硅晶圆不仅在平整度、光滑度、洁净度方面比光伏硅片要求更高,还由于半导体产品的多样性,客户会根据产品特点对硅晶圆的参数提出偏定制化的要求。
制作方面硅晶圆需要经过抛光、反复清洗等环节,部分特殊工艺的硅晶圆制造过程还需要外延等进一步加工。
半导体硅片的制造过程大致为:
超纯多晶硅熔化后,掺入硼(P1磷(B)等元素改变导电能力,放入籽晶经过单
晶生长制成单晶硅锭,单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、夕卜延
(如有X键合(如有X清洗等工艺步骤,制造成为半导体硅片。
芯片制造的过程是通过在硅片上反复循环光^0、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺,改变材料的导电性和构建电晶体结构,最终形成半导体器件,因此硅片的各项参数和品质对芯片质量和良率会产生直接影响。
济料隶淳:
业产业38股说闕书・扌§両银行研寬1»£
半导体硅片一般按照尺寸、工艺和使用场景分类。
半导体硅片的尺
寸(以直径计算庄要有:
50mm(2英寸),75mm(3英寸\100mm
(4英寸L150mm(6英寸L200mm(8英寸)与300mm(12
英寸)等规格。
尺寸方面,大尺寸是硅片制造技术进步的方向。
半导体硅片的直径越大,在单片硅片上可制造的芯片数量就越多,分摊的单位成本下降。
此外在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘—些区域无法被利用,而大直径硅片可以有效减少边缘区域,进而提高可使用率,在同样的工艺条件下,12寸片的可使用率(衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标)是8寸片的2.5倍左右。
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目前8寸片与12寸片是市场主流产品。
2018年全球硅片出货量
中8寸和12寸片占比分别为26%、64%,晶圆制造产线的制程和
尺寸这两个参数一旦确定下来一般无法更改,8寸和12寸晶圆针
对的主力产品不同,但部分需求也有交叉。
12寸作为最主流的晶圆
尺寸,主要用于制造CPU、逻辑IC、存储器、高性能FPGA与ASIC
等高性能芯片。
8英寸则应用于特色技术或差异化技术,产品主要是
模拟芯片、电源产品、摄影/指纹识别等传感器、MCU等。
90Wfl4 £Ofr» ouw 10W 50W 10(0 耳产书,SEKI.林呀丸«(不也令SOI处片) 贷料来源: SMIC.彳3商镇疔研丸旄 18寸片(450mm)是大尺寸方向下一阶段的目标。 早在2011年全球五大半导体厂商台积电、IBM、英特尔、三星和Global Foundries就共同成立了450rnm联盟(G450C),表态要推进 450mm的应用,全球范围内还有EEMI450,Metro450等推动18 寸晶圆的计划。 但由于18寸晶圆的设备研发难度大,产线投资额极高,设备和制造厂商推动力度并不充足。 目前从下游客户的情况来看,12寸片也基本可以满足制造工艺的需求”其主力尺寸的地位仍将延续。 按工艺分类,半导体硅片除了基础的抛光片(PolishWafer) 之外,还有退火片(AnnealedWafer\外延片(EpitaxialWaferX SOI片(Silicon-On-InsulatorWafer)等特色工艺产品。 目前主流 厂商可以批量供应的包括12寸/8寸抛光片、退火片、外延片,少部分企业可以供应SOI片。 2、退火片 资林来潦;SUMCO.建业扌3股说明书,扌3商懐抒研究悅 按场景分类,硅片可以分为正片和测试片/挡控片,其中只有正片是直接用于晶圆制造,测试片作为过渡性产品主要用来测试机台、监控良率等。 挡控片的出现主要是因为晶圆制造企业对精度和良率要求越来越高,因此越是先进制程的产线越需要挡控片的应用。 65nm制程每投10片正片,需要加6片挡控片,而28nm及以下制程,每10片正片需要加15-20片挡控片。 尽管挡控片耗费量很大,但价格远彳氐于正片,晶圆厂还可以回收利用挡控片,作为过渡产品的挡控片市场规模实际有限。 但对于新进入的硅片供应商,—般会先为客户提供挡控片做测试样片,其后才能逐步导入正片产品。 2.硅片行业规模主要受价格影响,全球供给高度集中 2.1需求短期受疫情影响,中长期应用领域正在拓展 召圭片的市场需求与半导体行业景气高度相关,而半导体行业的景气度又与全球GDP增速息息相关。 由于制程的演进,硅片出货面积的增速并不完全匹配半导体市场的增速。 先进制程的发展发会使得芯 片的特征尺寸不断减小,进而缩小芯片面积,降低对硅片的需求量。 所以从量的角度来看,摩尔定律的持续推进,会使得硅片销售面积增速低于芯片出货量增速,但二者的景气趋势高度一致。 2019年全球半导体销售额4122亿美元同比下降12.0%,根据世界半导体贸易统计协会(WSTS)最新公布的预测,2020年半导体销S额同比增长 3.3%至4259.66亿美元。 由于终端需求平淡,预计全球硅片出货面 积也难有增长。 IS12: 全球半导体市场规桟和硅片出货面枳 4000 10OO 2000 瓷卅•未通: SEMI.扌3商錶疔研丸ftl 由于出货面积的表现相对平稳,硅片行业的市场规模受价格影响很大。 2016-2018年,全球半导体硅片的市场规模从72亿美元增长到了114亿美元,增幅58%,同期硅片出货面积由10738百万平方英寸增长到12732百万平方英寸,增幅19%。 可见由供需关系导致的ASP的上涨对硅片市场规模的扩大起到了显著拉动作用。 0,2 0 麦料来潭: 住产业.招商煤拧晞兗院 2020年硅片价格难以上张。 今年在全球疫情影响下,全年半导体的 需求并不明朗。 硅片价格方面,一方面主流企业的大量长期合约锁价,对现货价格有锚定作用;同时行业整体还呈现略微供过于求的局面;并且根据SUMCO的跟踪,今年一季度晶圆厂的硅片库存基本达到了2014年以来的最高水平,因此即使下半年终端需求恢复,晶圆 厂也有比较充足的库存应对”短期供需情况改善对硅片价格的支撑作用也较弱。 展望未来两年,由于半导体产品的应用领域还在持续拓宽,在行业景气度较高,硅晶圆扩产相对有限的情况下(不考虑中国大陆产能),硅晶圆价格有上涨的可能。 2021年日系主流厂家会与主要客户签订下一期长单协议,对中期价格有一定的指引作用。 瓷杆隶淳: SUMCO.招商伍疔研克悅SUMCO艄软亿之矗的於平) 2.2通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量 未来几年,对半导体产品及硅片需求会形成有效拉动的主要趋势包括5G通讯技术、消费电子产品和汽车电子化的发展。 大趋势来看,5G通信技术将带动数据流量爆发式增长,而今年年初以来,受疫情影响远程办公、授课等网上业务的常态化发展也会带来数据流量快速增长,从而全面拉动数据存储的需求。 存储芯片是12寸硅片主要的应用方向。 根据2018年的数据,12英寸硅片的下游应用中,DRAM、2DNAND、3DNAND为代表的存储芯片占比已超过50%。 在数据流量和存储需求快速增长的背景下,不论是NAND Flash,还是DRAM,终端设备的增长都将传导至上游拉动存储芯片 的需求,进而提升对硅片的需求。 -iX44;S片DRAM3DNAWD•20NAND其他 資斛来《2SEML招商垠祎研寛悅 消费电子方面,除新机的拉动外,5G手机单机硅片使用面积也明显 增加,5G手机渗透率提升将有效带动12寸片的需求。 12寸片主 要应用在手机中的CIS、逻辑芯片、NAND和DRAM,手机从4G升 级到5G伴随各项性能的提升,芯片用量也将增长,根据SUMCO 数据,5G手机单机硅片使用面积是4G的1.7倍。 随着5G手机 销量的提升,等效为12寸片,2023年手机对硅片的需求潮是升至 53.3万片/月。 SMKO.相SfW情可凭烷 60万片/月 港科来淳: SUMCO.招布谯仔研究覘 8寸片的下游应用主要是模拟芯片、分立器件、MEMS和部分逻辑 芯片。 随着大量12寸先进晶圆产能投产,8寸存储芯片的产能陆续切换向了12寸。 这使得8寸晶圆厂的需求中,模拟芯片.分立 器件和逻辑芯片(主要为MCU、指纹识别芯片、CMOS等XMEMS 的占比已超过50%。 8寸产线特种工艺成熟,设备和设计等环节有成本优势,进行多元化、小批量的生产能更快实现盈利,因此8寸产线仍将长期是制造非存储产品的中坚力量。 ra19: 8寸片下游直44应H1 18K 33% 汽卓•工业•PC/«fyS•故ft牛d•其tt 终端应用场景来看,汽车电子和自动驾驶的发展是拉动8寸及以下尺寸硅片的重要驱动力。 电动汽车渗透率提升、传统车辆电子化功能升级扩展以及自动驾驶技术日趋成熟,使得汽车电子成为了未来几年半导体应用重要的增长领域,2020年全球汽车电子市场规模约 2500亿美元,预计到2030年规模将增长至4500亿美元以上, 并且产业链也会进一步向亚洲集中。 对应到硅片环节,汽车电子芯片主要采用8寸及以下抛光片和SOI硅片,车规级芯片的发展会对 8寸及以下尺寸的硅晶圆形成有效拉动。 321: 汽*自动驾枝系统ifr场规樓 E22: 自切耳皱对e片需求的拉动 300万卅7月 111 201620182022E ■6負寸貝寸bU典寸 费料R潇;SUBCO.竹商 2.3行业呈现高集中度、长周期的特征 全球半导体硅片市场份额高度集中。 日本信越(Shinetus)、日 本胜高(SUMCOX德国世创(Siltronic\环球晶圆(中国台湾X 韩国SK五大厂商全球市占率超过90%,其中前两家日本企业信越和SUMCO占比就超过一半。 12寸大硅片的主要参与者也是上述企业,但由于工艺难度大,集中度更高,前五家厂商囊括了95%的 市场份额。 汾料来源: SEMI.柯両恨研究比 行业此前经历了长达8年的低谷期。 2006-2007年基于对半导体市场尤其是DRAM需求的乐观预期,各大硅片厂均开启了扩产计划, 2006年全球12寸硅片产能159万片/月,到2009年产能迅速提 升至420万片/月。 但是2008年金融危机爆发后电子产业受到重创”此夕卜Vista销量严重不及预期对DRAM和12寸片的需求造成了巨大冲击,多重因素叠加之下,硅片行业供需失衡明显,产品价格、开工率全面下滑甚至一线企业SUMCO都在2010年关停了2座 工厂。 此后2010-2014年全球硅片产能没有增长,2015-2017年也仅有小幅扩产。 直至2017年硅片价格时隔8年再度上涨,行业景气度开始回升。 回顾来看,上一轮的大幅扩产叠加需求不振,导致了硅片行业从2008-2016年经历了漫长且严重的产能过剩, SUMCO作为一线企业甚至出现了负毛利率的情况。 S24: SUMCO营业收入及营业利润 -10000 資杯来淳: wind.相商烘行斫寬! •£ 图25: 合骷科技营业收入及营业利润(合骷科技主勞8寸及以TXta片) ■营业利润 竟杆来溥;wind.扌3商恳行研5C悅 近年来海外硅片企业展开了新一轮扩产,但扩产规模有限。 截止 2020Q1全球12寸片月产能约600万片,全球8寸片月产能约500万片。 根据SUMCO的预测,到2022年,全球12寸片的 产能大约能提升至700万片/月(但SUMCO的预测没有包含中国大陆的硅片扩产计划),增长幅度约120万片/月,可见经历了此前的低谷期,主流厂商尽管开启了新一轮扩产,但扩产计划相对谨慎。 图28: 海外企业12寸硅片扩产计划 資聊耒源: SUMCO,扌召高滾行棒咒K GreenFieldr新建厂房护产.达产周期対2-3«*; BrownField: 星于民有厂zS^・拚增谡各戎工艺孜进才产,达户周期块 1329: 2020年SiItronic资本开支计划较2019年明展塢减 400百片欧元 300 200 100 芳井来淖: SiItronic.才召商Ijl拧新5fe院 3・国产替代空间巨大,产能规划宏大 3.1国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求 目前国内有大量在建和规划中的芯片制造产能。 根据芯思想统计,截止2019年底我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片,较 2018年增长50%;8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片,较2018年增长10%;6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片,6英 寸以下尺寸也还有不少产能。 目前国内在建与规划中的芯片厂投资额已经超过万亿规模,对硅片的需求也将从2017年的276万片增长至2020年460万片(折合8寸L从结构来看,预计今年中国大陆12寸硅片的需求约105万片/月,8寸片接近100万片/月,往后几年,8寸和12寸片将是主要的增长方向。 2*% 40® 30 20 10 资fl未港;Gartner,材iljttff研丸% #林束濛: afta^a济研丸所.掘育fiUf•研乂肉 半导体行业的工艺发展呈现着两大趋势,一是基于摩尔定律,不断追 求先进制程,缩小芯片特征尺寸,目前存储芯片、CPU、逻辑芯片等 产品延续着这一趋势,代表企业包括台积电、三星、英特尔、中芯国 际。 二是超越摩尔定律,包括开发新一代半导体材料,在物理结构和 电路设计方面实现突破,模拟电路、传感器、电源管理等产品比较明 显的符合这一趋势,代表企业包括联电、格罗方德、华虹等。 图32;半爭体工艺发展;傑尔定律与超魅靡尔定律 MorothanWooro: Oiwrsiflcation 由于两大工艺趋势的差异,先进制程产线上广泛应用12寸片,而 在特种工艺和多样性这个方向下,成熟制程和8寸片也有长期的应 用空间。 仅从制造方面考虑,8寸晶圆制造厂的优势主要包扌舌: 1)投资强度较彳氐,即使面向细分领域进行偏定制化的小批量生产,也有可能实现盈利。 投资回报方面,8寸产线较12寸产线的优势既是因为设备投资、光罩及设计服务等成本低,也因为8寸工艺相对易掌握,良率容易提高。 ®33: 8寸晶®厂每1万片月产能所需设备数董明至低于12寸产钱 40■■jj 0-Jll亠J■ ■—JI] ■8寸线■成.熟12才线・尢进*12+线 80 60 伸誇3? 样芒、冷匚•秋 海曲杞漁二《台枳电(南京>有限公司12吋ABr与i殳计fi券申心一期顼a坏境蓼呦专顼分析》・怎枳电•夭津市环找保护剧・华芯0际・祗工证券.両镇行研乂陀 2)8寸产线已经形成了部分成熟的特种工艺,适宜于模拟电路、功 率器件等产品的制造。 从近年的情况来看,由于模拟芯片的需求一直在提升,8寸晶圆的产能一直偏紧,而模拟产品本身又具有多品种甚至部分具有定制特性,对于国内的企业来说,如果能有清晰产品定位,是比较容易实现突破并且有盈利潜力的方向。 如果国内的8寸晶圆厂能实现重要突破,对于8寸硅片的国产化会形成拉动。 3.2进口替代与产业安全视角下,半导体硅片迎来发展期 国内晶圆厂的发展将带动半导体硅片的国产化。 半导体工艺的高度精细化W复杂化导致其供应链相对稳定和封闭。 与海外成熟的供应商相比,国内硅片厂商从技术到成本均处于弱势。 但中芯、华虹、长 江存储等代表企业在自身持续发展的进程中,表示愿意扶持上游国产材料及设备企业的发展。 我国12寸片基本完全依赖进口,8寸片国产化率约在10%左右,6寸片国产化率约50%。 从中芯国际的实际采购情况来看,材料环节掩模版、硏磨液国产化率已经较高,但 2019年其采购的硅片国产化率不足2%,国产化的空间非常广阔。 产业安全视角下大召圭片的发展也有一定迫切性。 除了上述基于市场空间的讨论外,2019年底新修订的《瓦森纳协议》中增加了对于12英寸硅晶圆制造技术的出口管制,具体针对的就是应用于14nm制程的大硅片生产技术,因此基于产业安全的考虑,即使目前技术工艺成本均没有优势,支持国产半导体硅片的发展也具有迫切性。 3.3国内大硅片产能规划宏大 近年来在市场与政策的共同驱动下,国内企业展开了宏大的产能规划。 12寸片的规划产线约20条,如果均如期投产,2023年累计产能将达到560万片/月,如果再加上天芯硅片、中芯坏球等项目,12寸片的产能甚至高达800万片/月,这一产能不仅远高于国内市场的需求,也超过了2018年全球的需求。 8寸片的扩产相对 较少,包含规划项目产能约345万片/月。 就已公布规划来看,国内硅片扩产涉及的投资金额已经接近1500亿。 企业 8寸片规划产純(万片/用) 12寸片规划产能(万片/月) 規划般贡《(亿丈J 1上淖新晟 - 60 68 2赵於上 - 30 100 3趙於取廉 50 5 50 4趙赴成.iF - 50 50 5天津領先 30 2 - 6中环领先无访一卿 75 15 100 7中环领先无饬二期 35 100 8全瑤^«^ 12 - - 9全瑞淮秋卅 40 10 50 10佥埸湃《电子 - 30 83 11有斫怨州 23 30 80 12枕册中怎 35 20 60 13宁夏银和一期 15 - 31 14宁夏银知二期 35 20 60 15合晶郑州 20 20 57 16尖徽务芯 - 15 30 17鬼斯伟西妥 - 50 110 18四川经略 10 40 50 19启世半导体 - 120 200 20+晶嘉兴 - 100 110 21客芯站 • 10 20 含计 345 662 1409 竇科*芯*SWN思.》离《拧崎《思,ft中葩《上為有1万片/刀《18寸片卢能*乂 国产化大硅片市场空间广阔但短期来看项目盈利情况尚不清晰。 上海硅产业集团的子公司上海新昇在2018年实现了12寸片量产,2020年产能已经达到约15万片/月,是国内大硅片进展最领先的 企业,但目前盈利情况也不明朗。 上海新昇的大硅片项目2014年开建,可见项目的投资回报期是比较长的。 大硅片项目本身进入门槛很高,制造工艺需长时间经验积累,即使量产后,也需要客户长时间的验证,而在这个过程中,每年仍謝寺续投入研发,进行折旧,以及进一步扩产摊薄成本,这些特点体现在财务上就是项目盈利薄弱甚至连续亏损。 尽管目前国内外晶圆厂的扩产都以12寸为主,但原因是多方面的,而非仅仅因为8寸产线竞争力不足。 一方面国际设备厂多已停止或减少8寸厂设备生产,使用二手设备无法支持企业进行大幅扩产。 而国内企业在强政策的扶持下,也更加倾向于直接展开 投资规関口下游需求更大的12寸项目。 8寸晶圆对应的主要产品模拟芯片、功率半导体均呈增长态势。 根据第三方机构的预测,模拟电路市场规模2018年到2023年的年复合增速为7.4%,是集成 电路中增长非常迅速的细分子行业。 模拟芯片强调高信噪比、低失真,电阻、电容、电感都会产生噪音或者失真,高端制程可能影响芯片性能,因此模拟芯片通常使用28nm以下的传统制程,对材料和设计经验的积累要求更高。 功率半导体包括高14能分立器件以及电源管理 IC,在涉及电流的场景基本都有功率半导体的身影。 功as>
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