半导体硅片面临的挑战分析.docx
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1、半导体硅片面临的挑战分析一、半导体材料行业发展情况半导体材料是半导体产业的重要组成部分。根据SEMl统计,自2016年至2021年,全球半导体材料市场规模自430亿美元增长至643亿美元,复合增长率为&37虬按应用环节划分,半导体材料包括半导体制造材料与半导体封测材料,其中半导体制造材料市场规模占比较高。根据SEMl统计,自2018年开始,半导体制造材料市场规模保持占据半导体材料总体市场规模60%以上比例。2016年至2021年,半导体制造材料市场规模由248亿美元增长至404亿美元,复合增长率为10.25%,高于半导体材料总体增长率。半导体硅片作为最主要的半导体制造材料,是半导体器件的主要载
2、体,下游通过对硅片进行光刻、刻蚀、离子注入等加工工序后用于后续制造。半导体制造材料还包括电子气体、光掩模、光刻胶配套试剂、抛光材料、光刻胶、湿法化学品与溅射靶材等。半导体硅片材料市场规模在半导体制造材料市场中一直占据着最高的市场份额。根据SEMl统计,半导体硅片、电子气体、光掩模占据全球半导体制造材料行业的主要市场份额,半导体硅片市场规模在半导体制造材料市场中占比最高。根据SEMl统计,从地区来看,中国大陆是仅次于中国台湾地区的半导体制造材料市场。合并来看,2021年度中国大陆和中国台湾地区半导体材料市场规模占比达41.45%,连续两年超过40虬根据SEMI统计,中国大陆半导体制造材料市场规模
3、处于持续增长中,且于2021年首次实现百亿美元,达到119.29亿美元。其中2019年至2021年,中国大陆半导体材料市场规模从87.17亿美元增长到9.29亿美元,复合增长率为16.98虬根据SEMl预计,中国大陆半导体材料市场规模于2022年仍将保持增长。二、面临的挑战1、全球半导体硅片龙头企业竞争力强半导体硅片行业行业集中度比较高,由于半导体硅片行业技术难度高、研发周期长、客户认证周期长等特点,率先掌握先进技术的全球龙头半导体硅片制造商占据着绝大部分的市场份额,已经形成良好的规模效应,在技术、价格等方面具有很强的竞争力。中国大陆半导体硅片企业起步晚、技术积累较少,整体规模偏小,很难在短期
4、内撼动全球龙头企业的市场地位。2、高端技术人才稀缺半导体硅片的研发和生产过程较为复杂,涉及物理、化学、材料学等多学科领域交叉,因此需要具备综合专业知识和丰富生产经验的复合型人才。由于中国大陆在半导体产业起步较晚,具有较高专业知识背景、研发能力和经验积累的专业人才缺乏。尽管近年来高校和科研机构对相关人才的培养力度已逐渐加大,但人才匮乏的情况依然普遍存在,加上高端技术人才的培养周期较长,对短期内中国大陆半导体硅片行业的发展形成了较大的挑战。三、半导体及半导体行业介绍半导体是指在常温下导电性能介于绝缘体与导体之间的材料。常见的半导体包括硅、铅等元素半导体及神化钱、磷化锢、氮化镁、碳化硅等化合物半导体
5、。半导体产业以半导体材料和设备产业为依托,主要包括设计、制造和封装测试等制造环节。根据WSTS分类标准,半导体产品主要可分为集成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别,并广泛应用于移动通信、计算机、云计算、大数据、汽车电子、物联网、工业电子、人工智能、军事太空、虚拟现实、LED和智能穿戴等行业。半导体产业在保障国家安全、促进国民经济增长过程中起到了基础性、决定性作用,而半导体材料产业得益于其较高的附加值和对整个电子信息产业的支撑作用,是整个半导体产业发展的基石。四、半导体硅片行业发展情况及未来发展趋势1、半导体硅片介绍及主要种类(1)半导体硅片简介硅是常见的半导体材料之一。硅元素在地壳中含
6、量约27%,仅次于氧元素。硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中,储量丰富并且易于取得。二氧化硅经过化学提纯,成为多晶硅。多晶硅根据其纯度由低到高,一般可以分为冶金级、太阳能级和半导体级。其中,半导体级多晶硅的硅含量最高,一般要求达到9N至11N,是生产半导体硅片的基础原料。半导体级多晶硅通过在单晶炉内的晶体生长,生成单晶硅棒,这个过程称为晶体生长。半导体硅片则是指由单晶硅棒切割而成的薄片。下游在硅片上进行光刻、刻蚀、离子注入等后续加工。(2)半导体硅片的主要种类半导体硅片的尺寸(以直径计算)主要有2英寸(50mm),3英寸(75mm)、4英寸(IOOmm)、5英寸(125
7、mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)与12英寸(30Omm)等规格,半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。硅片的尺寸越大,在单片硅片上制造的芯片数量就越多,单位芯片的成本随之降低。另一方面,硅片的尺寸越大,在圆形硅片上制造矩形芯片造成的边缘无法被利用的损失会越小,有利于进一步降低芯片的成本。以12英寸和8英寸半导体硅片为例,12英寸半导体硅片的面积为8英寸半导体硅片面积的2.25倍,但在同样的工艺条件下,12英寸半导体硅片可使用率(衡量单位硅片可生产的芯片数量的指标)是8英寸半导体硅片的2.5倍左右。但是自12英寸半导体硅片研发成功以后,由于尺寸继续扩大的全产业链投资和研发成本过
8、大,半导体硅片产业尚未向更大尺寸发展。目前,全球市场主流的产品是8英寸、12英寸半导体硅片。半导体硅片的尺寸越大,相应半导体硅片生产线的投资规模越大,对半导体硅片企业的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。从下游适配的应用领域来看,8英寸及以下半导体硅片的需求主要来源于功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等,终端应用领域主要为移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等;12英寸半导体硅片的需求主要来源于存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能FPGA(现场可编程门阵列)与ASlC(专用集成电路),终端应用主要为智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD(
9、固态存储硬盘)等较为高端的应用领域。根据制造工艺分类,半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与Sol硅片。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片,抛光片是单面或者双面被抛光成原子级平坦度的硅片。随着集成电路制程向更先进、更精细化的方向发展,光刻机的景深也越来越小,硅片上极其微小的高度差都会使集成电路布线图发生变形、错位,这对硅片表面平整度提出了苛刻的要求。此外,硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良品率也有直接影响。抛光工艺可去除加工表面残留的损伤层,实现半导体硅片表面平坦化,并进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。抛光片可直接用于制作半导体器件,也可
10、作为外延片和SOI硅片的衬底材料。根据半导体硅片中硼、磷、不申、睇等元素的掺杂浓度不同,半导体抛光片还可以进一步划分为轻掺抛光片和重掺抛光片,掺杂越多,电阻率越低。轻掺抛光片主要用于集成电路领域,重掺抛光片主要用于功率器件等领域。重掺抛光片通常经过后续外延加工后再进行下游应用,而轻掺抛光片通常可直接用于下游应用,因此,轻掺抛光片的技术难度和对产品质量的要求更高。抛光片经过外延生长形成外延片。外延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层具有特定掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构的新硅单晶层。外延技术可以减少硅片中因晶体生长产生的缺陷,具有更低的缺陷密度和氧含量。外延片常在CMOS电路中使用
11、,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等,由于外延片相较于抛光片含氧量、含碳量、缺陷密度更低,提高了栅氧化层的完整性,改善了沟道中的漏电现象,从而提升了集成电路的可靠性。除此之外,通常在低电阻率的硅衬底上外延生长一层高电阻率的外延层,应用于二极管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等功率器件的制造。功率器件常用在大功率和高电压的环境中,硅衬底的低电阻率可降低导通电阻,高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压。外延片提升了器件的可靠性,并减少了器件的能耗,因此在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。SOI硅片即绝缘体上硅,是常见的硅基材料之一,其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。Sol
12、硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上,如射频前端芯片、功率器件、传感器以及硅光子器件等芯片产品。2、半导体硅片行业发展情况(1)全球半导体硅片产业链半导体硅片是芯片制造的核心关键材料,且在芯片制造材料成本中占比较高。半导体硅片企业的下游客户是芯片制造企业,包括晶圆代工厂商和IDM厂商。下游行业应用覆盖计算、无线通信、消费电子、汽车电子、工业电子、存储和有线通信等。(2)行业竞争格局及发展趋势半导体硅片行业市场集中度比较高,由于半导体硅片行业技术难度高、研发周期长、客户认证周期长等特点,率先掌握先进技术的少数企业占据着绝大部分的市场份额。根据SEMl数据,2018年至2
13、020年,信越化学、SUMCO环球晶圆、SiltronicAG、SKSiltron国际龙头半导体硅片制造商合计占有市场份额分别为92.57%,90.75%和86.61%o虽然当前国际龙头半导体硅片制造商占有的市场份额很高,但随着中国大陆半导体硅片企业的积极扩产,市场份额正在快速提升。此外,中国大陆正在成为全球半导体产能第三次扩张的重要目的地。随着晶圆厂产能紧缺,中国大陆晶圆代工厂中芯国际、华虹半导体,中国台湾地区晶圆代工厂台积电、联华电子股份有限公司等晶圆厂接连在中国大陆扩产、建厂,加速国内半导体产业发展和布局,中国大陆半导体硅片制造商也将获得前所未有的发展机遇。(3)全球半导体硅片市场规模与
14、发展趋势半导体行业与全球宏观经济形势和终端市场需求紧密相关。2011年至2013年,全球经济逐渐复苏但依旧较为低迷,半导体硅片行业亦随之低速发展,2013年全球半导体硅片市场规模仅为75.4亿美元。2014年受汽车电子及智能终端市场需求影响,2016年受传统应用领域计算机、移动通信、固态硬盘、工业电子市场持续增长以及新兴应用领域如人工智能、区块链、物联网、汽车电子的快速发展,半导体硅片市场规模不断增长,自2018年开始连续突破百亿美元市场规模。从全球半导体硅片出货面积上分析,2011年至2018年,全球半导体硅片出货面积一直保持增长趋势。虽然2019年受宏观经济波动及半导体产业景气度下降的影响
15、,2019年度全球半导体硅片出货面积出现暂时性下滑,但于2020年和2021年实现了回升。根据SEMl统计,2019至2021年,全球半导体硅片出货面积分别为116.77亿平方英寸、122.90亿平方英寸以及140.17亿平方英寸,全球半导体硅片出货面积稳定在高位水平。2020年和2021年,全球半导体硅片出货面积同比增长分别为5.26%和14.05%o2011年至2016年,全球半导体硅片价格呈现下降趋势,主要受12英寸大硅片的普及造成单位面积制造成本下降、全球半导体硅片厂商扩产导致的竞争加剧、下游终端市场需求低迷等因素的叠加影响。2016年,随着下游终端市场需求增加及新兴终端市场规模的扩张
16、,全球半导体硅片市场价格止跌反弹。根据SEMI统计,2019年至2021年,全球半导体硅片销售单价分别为0.95美元/平方英寸、0.90美元/平方英寸以及0.98美元/平方英寸,销售单价稳定在较高水平。(4)全球各尺寸半导体硅片市场情况及发展趋势全球半导体硅片市场最主流的产品规格为12英寸硅片和8英寸硅片,8英寸硅片出货面积保持相对平稳状态,12英寸硅片出货面积保持波动上涨。自2011年以来,6英寸及以下小尺寸硅片的需求持续存在,但受技术升级、大尺寸硅片供给增加等不利因素的影响,6英寸及以下小尺寸硅片出货量基本维持在相对稳定水平。近年来,12英寸硅片和8英寸硅片出货面积市场份额持续维持在很高水
17、平,2021年分别为68.47%和24.56%,两种尺寸硅片合计占比保持超过90%,是当前半导体硅片下游市场需求的主要尺寸。随着全球半导体硅片出货面积的增长,6英寸及以下小尺寸硅片的市场份额有所下降,至2021年约为全球半导体硅片出货面积的6.97机2011年开始,8英寸半导体硅片市场占有率稳定在24-27%之间。2017年至2018年,由于汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器市场需求快速增长,以及功率器件、传感器等生产商将部分产能从6英寸转移至8英寸,带动8英寸半导体硅片继续保持增长。根据SEMl统计,8英寸半导体硅片出货面积从2016年的2,690.27百万平方英寸上升至2018年的3
18、,278.43百万平方英寸,复合增长率为10.39%。受全球贸易摩擦及全球智能手机、汽车销量下滑和新冠疫情的影响,2019年8英寸半导体硅片的出货面积下降至2,967.48百万平方英寸,2020年继续下滑,降至2,945.59百万平方英寸。2021年恢复增长趋势,8英寸半导体硅片的出货面积增长至3,442.81百万平方英寸,较2020年增长16.88虬据SEMl预计,2022年和2023年,8英寸半导体硅片出货量有望保持持续增长,分别达到3,608.26百万平方英寸和3,642.29百万平方英寸。下游模拟器件、功率分立器件、CMOS图像传感器等细分市场规模的稳步增长,为8英寸半导体硅片需求增长
19、提供长期稳定的驱动力。12英寸半导体硅片自2000年以来市场需求增加,出货面积不断上升。2000年至2021年,由于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展。根据SEMl统计,12英寸半导体硅片出货面积从94百万平方英寸扩大至9,597.72百万平方英寸,市场份额从1.69%大幅提升至2021年的68.47%,成为半导体硅片市场最主流的产品。根据SEMl预计,2022年和2023年,12英寸半导体硅片出货量仍将保持增长并突破百亿平方英寸规模,分别达到105.84亿平方英寸和108.76亿平方英寸。12英寸半导体硅片需求占比最大的终端应用为智能手机,其次为数据中心、PC/平板电脑、汽车,数据中心和
20、汽车对12英寸半导体硅片的需求增长最为快速。半导体硅片直径的提升使得硅片面积平方级增长,进而使得单片硅片能产出的芯片数量也翻倍增长。硅片直径越大,芯片的平均生产成本越低,进而提供更经济的规模效益。但与此同时,生产更大直径的硅片,其所需要的生产工艺改进成本、设备性能提升,也将在投产初期给厂商带来更高的固定成本投入。此外半导体硅片制造商的技术发展与下游芯片制造企业对硅片的需求相匹配,半导体硅片尺寸的扩大需要半导体产业上下游的协同发展。因此,8英寸和12英寸半导体硅片仍然是市场主流尺寸。(5)中国大陆半导体硅片市场规模与发展趋势中国大陆半导体硅片市场规模是全球半导体硅片市场的重要组成部分,在全球半导
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