我國半導體制造材料行業分析(一) 硅片篇

發布者:管理員  2020-04-08 9:43:24


半導體制造材料基本概述

半導體材料基本概述


      半導體行業具有技術難度高、投資規模大、產業鏈環節長、產品種類多、更新迭代快、下游應用廣泛的特點,產業鏈呈垂直化分工格局。半導體制造產業鏈包含設計、制造和封裝測試環節,半導體材料和設備屬于芯片制造、封測的支撐性行業,位于產業鏈最上游。
      半導體設備、材料、工藝相輔相成,互為表里。一方面三者相互依存,晶圓制造商必須購買設備和材料獲取相應的制程技術(量測數和相關制程參數設定是其采購標準)。另一方面三者相互制約,每一種材料的改進或改變都意味著相應大量單一工藝和整體工藝的再研發,三者發展需齊頭并進。
圖表1  半導體產業關系圖
       按應用環節劃分,半導體材料主要可分為制造材料和封裝材料。主要的制造材料包括:硅片(硅基材料)、光刻膠及配套試劑、高純試劑、電子氣體、拋光材料、靶材、掩膜版等;主要的封裝材料包括:引線框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包裝材料及芯片粘接材料等。
圖表2  芯片制造工序各單項工藝均配套相應材料

半導體制造材料簡介


      半導體制造材料是半導體制造過程中所需的材料,包含硅片、光刻膠、光掩膜、濺射靶材、CMP 材料、電子特氣、濕化學品、石英等細分子領域。半導體加工分為芯片設計、芯片制造和封裝測試三個環節,半導體芯片制造過程中,所有工藝均在硅片襯底上進行,具體工藝包括前期硅片準備、薄膜氧化/沉積、化學機械研磨、光刻、刻蝕或離子注入、去光刻膠等步驟,以上步驟組成一個循環。一般半導體制造需要經過十幾至幾十次循環才可全部加工完畢,進入下一輪的封裝測試環節。
圖表3  半導體制造流程



半導體制造材料市場規模

全球半導體制造材料市場規模

      SEMI數據顯示,2018年全球半導體材料市場銷售額約519.4億美元,其中制造材料銷售額約322億美元,封裝材料銷售額約197億美元。在整個電子信息產業中,半導體材料的產值雖不能算極高,但卻具有極大的附加值和特有的產業生態支撐作用,半導體材料的自主可控關乎整個電子信息產業生態安全。
圖表5  2018年全球半導體材料市場銷售額
      根據 SEMI 統計,2018年全球半導體材料市場為322.3億美元,其中硅片、光掩膜、光刻膠和光刻膠輔助材料、濕化學品、電子特氣、濺射靶材、CMP拋光材料市場分別為121.2、40.4、39.6、16.1、42.7、8、21.7億美元,其中以硅片市場最大,市場占比最高;2018年硅片、光掩膜、光刻膠和光刻膠輔助材料、濕化學品、電子特氣、濺射靶材、拋光材料的市場增速分別為31%,7.7%,6.7%,6.6%,10.3%,6.7%,17.3%,均實現了較高幅度增長。

圖表5  全球半導體制造材料細分市場規模


圖表6  半導體材料細分市場占比

圖表7  半導體材料細分市場占比


中國半導體制造材料市場發展現狀

       目前,全球半導體制造材料基本為美日公司壟斷。如全球硅片市場中,日本信越化學、日本SUMCO、德國Siltronic、中國臺灣環球晶圓、韓國SK Siltron市場份額分別為27.58%、24.33%、14.22%、16.28%、10.16%,共占據超過 90%市場份額;光刻膠市場則主要由日本合成橡膠、東京應化、美國陶氏、住友化學、富士膠片壟斷;CMP材料主要由美國陶氏、卡伯特微電子、日本 Fujimi 壟斷等。
       在美日公司占據優勢的情況下,我國半導體制造材料市場國產化率目前處于較低水平。目前12英寸硅片國產化率僅約10%,深紫外型光刻膠基本依靠進口;濺射靶材國產化率處于30-40%之間;拋光材料中,拋光液國產化率約20%,拋光墊目前僅有一家公司可生產,基本依靠進口;電子特氣國產化率約25%;濕化學品國產化率約25%。目前半導體材料國產率均較低,未來國內公司突破技術壁壘,實現對應產品量產后,國內半導體制造材料產品有望替代進口產品,實現行業的快速發展。
       從技術水平上看,除硅片和濺射靶材目前國內公司可生產對應最新制程的產品外,其他幾種制造材料,我國或無法生產、或僅有少數品種可達到最新制程對應技術水平。其中光掩膜、電子特氣、CMP材料和濕化學品,目前國內產品可達到主流制程對應技術水平。而光刻膠領域,目前主流制程對應技術水平的產品國內依然處于主要依靠進口的階段。
在國產化率和國內產品技術水平均有成長空間的情況下,國家為扶持集成電路相關產業鏈,也出臺了一系列政策,先后頒布了《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策》《中國集成電路產業發展推進綱要》《關于進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展企業所得稅政策的通知》等政策?!秶壹呻娐樊a業發展推進綱要》中,明確提出要突出芯片設計-芯片制造-封裝測試-裝備與材料全產業鏈布局。
       此外,在資金方面,國家也對半導體制造材料行業予以了大力支持。2014年,工信部成立國家集成電路產業投資基金(簡稱“大基金”),大基金一期從成立到投資完畢歷時將近4年,一期總投資額為1387億元,其中投資裝備材料業的投資比重為7%,約 98 億元。2019年10月,大基金二期成立,根據《關于征集浙江省數字經濟產業投資基金項目的通知》,大基金二期將重點投向芯片制造及設備材料、芯片設計、封裝測試等產業鏈環節。未來待大基金二期投資項目落地,預計半導體材料行業將得到進一步的資金支持。



硅片市場分析


硅片基本概述
硅片定義

     硅片又被稱為硅圓晶片,是集成電路制作中最為重要的原材料。硅片制備通常先利用直拉法等晶體生長技術,將高純的多晶硅原材料制備成單晶硅,再通過切、磨、拋等加工工藝,將單晶硅制備成拋光硅片。從而使其成為集成電路的基體材料。

硅片分類

      ①根據晶胞排列是否有序,硅片可分為單晶硅和多晶硅,二者在力學、光學、熱線、以及電學等物理性質上存在差異,單晶硅的電學性質通常優于多晶硅。
半導體硅片均為單晶硅,硅片純度要求高,為 99.9999999%(9N)以上;半導體硅片表面的平整度、光滑度以及潔凈度要求高,需要經過后續的研磨倒角、拋光、清洗等環節。半導體硅片的高規格要求使得其制造工藝復雜,四大核心步驟包括多晶硅提純與多晶硅料的鑄錠、單晶硅生長以及硅片切割成型。作為晶圓制造的原材料,硅片質量直接決定了晶圓制造環節的穩定性。
       ②硅片產品按照加工工序可分為拋光片、退火片、外延片、節隔離片和絕緣體上硅片五大類產品。
拋光片:直接從單晶硅柱上切割出厚度約1mm的原硅片,然后對其進行拋光鏡面加工。
退火片:把拋光片置于充滿氬氣或氧氣的高溫環境退火得到,可大幅減少拋光片表面的氧氣含量,保持晶體完整性。
外延片:在拋光片表面采用應用氣相生長技術在拋光片表面外延生出單晶結構層,能夠在低電阻襯底上形成一個高電阻層。
節隔離片:在拋光片的基礎上,通過光刻法、離子注入、熱擴散技術等技術嵌入中間層,然后再通過氣相生長技術在硅片外面形成平滑的外延層。
SOI片(絕緣體上硅片):三明治結構,最下層是拋光片,中間層是掩埋氧化層(BOX),頂層是活性層也是拋光片。SOI 硅片可以使半導體器件設計者將器件和周圍部分完全隔離。
       ③按尺寸大小分類,目前主流硅片可分為6英寸、8英寸、12英寸硅片。8英寸硅片主要應用于汽車電子、工業電子、移動通信、物聯網;12英寸硅片主要應用于智能手機、計算機、云計算、人工智能、固態存儲硬盤等。


單晶硅片制備方法及工藝技術

      目前制備單晶硅片的方法主要為查克洛斯基法(Czochralski method,CZ法),且只有該方法能夠做出直徑大于8寸的晶圓,該方法成本較低,因為它能夠使用晶體碎片和多晶硅,并且能夠將摻雜化物通過與硅一起熔化及凝固而生長除高摻雜的單晶硅。CZ法包括裝料、融料,晶籽與熔硅的熔接、引細頸、放肩、等徑生長、收尾、切片、平坦化與腐蝕等步驟。當單晶棒鋸切完成后,利用機械方式將晶圓邊緣磨光,并將切片過程中造成的鋒利邊緣磨圓,圓的邊緣可以避免晶圓制造過程中的機械處理時形成缺口或碎裂。接著晶圓使用傳統的研磨料進行粗磨拋光,除去大部分由晶圓切片造成的表面損傷,并同時形成平坦的表面以滿足光科技術的需要。然后用濕法刻蝕除去鋸切過程、邊緣磨圓和研磨中造成的損傷。
圖表8 硅片生產工藝技術
硅片市場發展現狀

全球半導體硅片市場發展現狀

      根據SEMI統計數據,全球半導體硅片市場規模在2009年受經濟危機影響而急劇下滑,2010年大幅反彈。2011年到2013年銷售額連續兩年下降,主要系300毫米大硅片的普及造成硅片單位面積的制造成本下降同時加上企業擴能競爭激烈,2013年全球硅片的市場規模只有75億美金。2014年受汽車電子及智能終端的需求帶動,12寸大硅片價格止跌反彈,全球硅片出貨量與市場規模開始復蘇。受益于半導體行業及晶圓產能增長,2016年來,全球硅片出貨量和價格持續上行。2016-2018 年,全球半導體硅片銷售金額從72.09億美元增長至113.81億美元,根據Gartner的預測,到2020年全球硅片市場規模將達到110億美元左右。
圖表9 全球硅片市場規模(億美元)
      從全球來看,硅材料具有高壟斷性,全球一半以上的半導體硅材料產能集中在日本,尤其是隨著尺寸越大、壟斷情況就越嚴重。2018年,全球前五大半導體硅片廠份額近92%,其中Shin-Etsu(信越化工)、Sumco、Siltronic、Global Wafers(環球晶圓)與SK Siltron分別占比為28.50%、25.15%、14.69%、14.04%、10.50%。國內硅片材料重點企業包括硅產業/上海新昇、中環股份、有研新材等。

圖表10 2018年全球前五大半導體硅片廠份額


我國半導體硅片市場發展現狀

       受益于晶圓廠產能向中國轉移,中國半導體硅片市場也實現了大幅增長。2016年至2018年,中國大陸半導體硅片銷售額從5億美元上升至9.92億美元,增長率為40.88%,遠高于同期全球半導體硅片的CAGR25.65%。
圖表11  中國硅片市場規模(億元)
      從目前主流的8英寸硅片和12英寸硅片兩個品類來看,2016-2018年二者出貨量均實現了快速增長。2016-2018年,受益于汽車電子、智能手機用指紋芯片、液晶顯示器市場需求快速增長,8英寸硅片出貨面積從2690百萬平方英寸上升至3278百萬平方英寸,CAGR 為 10.39%;2016-2018年,受益于人工智能、區塊鏈、云計算等市場發展,12英寸硅片出貨面積從6817百萬平方英寸上升至8005百萬平方英寸,CAGR為8.36%。
       2018年中國芯片制造產能中,65nm以下制程約1.2萬片/月,占比 50%,比例低于世界平均水平62%。根據統計的國內晶圓廠目前已公布制程在建項目中,65nm以下制程占比 60%,高于目前50%的比例。未來隨著新的晶圓廠投產,預計65nm以下制程占比將得以提升。而由于65nm以下制程主要使用12英寸硅片,對應晶圓制程產能的提高將推動未來國內12英寸硅片市場強勁增長。
圖表12 中國大陸部分硅片材料重點企業
       8英寸硅片需求方面,根據普華永道咨詢數據,2018-2022年,以汽車和工業應用半導體市場增長最快,其中汽車應用半導體市場 CAGR達12.1%,四年內市場增長250億美元,工業應用半導體市場 CAGR達10.7%,四年內市場增長270億美元。8英寸硅晶圓下游應用一般為汽車電子、工業電子、移動通信、物聯網等領域,其原因為:1、上述幾種領域芯片的生產不需要對應12英寸硅片的最新制程工藝;2、物聯網發展下“類少量多”的需求被打破,每種芯片所需產量不高,12英寸硅片降低成本的優勢不再顯著。隨8英寸硅片下游的汽車和工業應用半導體市場近年來以較快增速發展,對應8英寸硅片需求也將得到較有力的刺激和拉升。
圖表13  半導體不同應用市場增長率情況
       現階段來看,國內硅片在建或規劃產能較高。目前國內用于新建硅片廠商的投資金額超過1500億元,硅產業、超硅半導體、有研半導體、金瑞泓、中環半導體、中芯晶圓、寧夏銀和等公司均開始興建或計劃建設硅片加工廠。根據華夏幸福研究院統計結果,假若目前新建或規劃硅片產能完全投產,預計8英寸硅片產量可達406萬片/月,12英寸硅片產量可達665萬片/月。
我國硅片行業相關政策

      為推動硅片這一占半導體制造材料份額最高的子行業盡快實現國產化,我國政府也出臺了一系列相關政策,支持硅片行業發展。2012 年工信部發布的《電子信息制造業“十二五”發展規劃》提出需要發展“半導體材料行業重點發展硅材料(硅單晶、拋光片、外延片、絕緣硅、鍺硅)及化合物半導體材料”;2016年發布的《高新技術企業認定管理辦法》提出“國家重點支持的高新技術領域:半導體新材料制備與應用技術中,大尺寸硅單晶生長、晶片拋光片、SOI片及 SiGe/Si外延片制備加工技術;大型 MOCVD關鍵配套材料、硅襯底外延和OLED照明新材料制備技術;大尺寸砷化鎵襯底、拋光及外延片、GaAs/Si材料制備技術等”;2017年發布的《“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃》提出“面向45-28-14納米集成電路工藝,重點研發300毫米硅片、深紫外光刻膠、拋光材料、超高純電子氣體、濺射靶材等關鍵材料產品,通過大生產線應用考核認證并實現規?;N售”等。

我國硅片生產代表企業

上海硅產業

      上海硅產業主要從事半導體硅片的研發、生產和銷售,主要產品是300mm及以下的半導體硅片,是中國大陸規模最大的半導體硅片制造企業之一,率先實現300mm半導體硅片規?;N售,打破了我國300mm半導體硅片國產化率幾乎為0的局面,推進了我國半導體關鍵材料生產技術?自主可控的進程。下游應用于半導體行業,是生產集成電路、分立器件等半導體產品的關鍵材料,具體應用于存儲芯片、傳感器芯片、射頻芯片、邏輯芯片、模擬芯片、分立器件、功率器件等中。
圖表14 上海硅產業集團發展歷程
       2018年公司營業總收入為10.10億元,營業成本為7.88億元,毛利為2.22億元,毛利率為21.98%。其中硅片業務總收入為10.08億元,總成本為7.88億元,毛利為2.2億元,毛利率為21.83%。
       公司的8英寸及以下半導體硅片主要應用于傳感器、射頻前端芯片、模擬芯片、功率器件、分立器件等領域。公司8英寸及以下半導體硅片產品可應用于 90nm、0.11μm、0.13μm、0.18μm、0.25μm、0.35μm、0.5μm 等制程。在SOI硅片方面,公司掌握了SIMOX、Bonding、Simbond、Smart CutTM 等先進的SOI硅片制造技術,可以提供多種類型的SOI硅片產品。公司12英寸半導體硅片主要應用于存儲芯片、圖像處理芯片、通用處理器芯片、功率器件等領域。公司嚴格執行了內部產品質量控制制度,12英寸半導體硅片產品可應用于40-28nm、65nm、90nm 制程,公司目前正在研發可用于20-14nm 制程的 12 英寸半導體硅片。同時,生產12英寸半導體硅片的公司子公司上海新昇,生產8英寸及以下半導體硅片的Okmetic和新傲科技均取得了 ISO 9001:2015、IATF 16949:2016質量體系認證。
圖表15  上海硅產業不同業務收入占比

中環股份
    公司主營業務包括新能源材料,半導體材料,電力,半導體器材,服務業收入,融資租賃等,下游應用于集成電路、消費類電子、電網傳輸、風能發電、軌道交通、新能源汽車、航空、航天、光伏發電、工業控制等行業。公司致力于半導體節能產業和新能源產業,在硅材料相關技術和晶體生長相關技術方面具有世界先進和國內領先的比較優勢,產品創新上實現差異化,不斷增強產品結構豐富性,進行產業鏈延伸。發揮產業協同優勢與中科院簽訂戰略合作,同時設立中國科學院微電子研究所天津分所,組織實施橫跨天津、內蒙、江蘇的?集成電路用半導體大硅片項目。
2018年,公司實現營業收入137.6億元,同比增長42.63%,實現歸母凈利潤6.3億元,同比增長8.16%。其中半導體材料占公司總營收的7.4%,新能源材料占公司總營收87.9%。
圖表16  中環股份營業收入(百萬元)
圖表17  2018年公司營收結構
結語

      硅片作為集成電路基石之一,其重要性不言而喻。近幾年,由于通信、消費電子等終端產品帶動需求的增加,中國半導體硅片市場也實現了大幅增長,吸引了整個產業界對硅晶圓產業的關注。但目前來看,大尺寸硅片的國產化率并不高,特別是在12寸硅片的生產方面,遠不能滿足市場需求,基本以進口為主。隨著5G時代啟幕,國家政策的大力扶持,為本土硅片企業發展壯大營造了良好的產業環境和難得的窗口期。
      為降低進口依賴度,彌補半導體硅片的國產供應缺口,提升大尺寸硅片生產國產化率,仍需做好幾方面的工作:一是加大政策傾斜力度。持續頒布集成電路領域優惠政策,加大資金扶持,加速半導體材料行業的發展;二是提升技術研發水平。大硅片生產技術在硅材料純度、材料切割、打磨等加工過程的精度方面具有很高要求,國內硅片生產企業要突破技術壁壘,提升國內企業的技術研發水平,加快企業技術創新步伐;三是加強高新人才培養。深入實施人才優先發展戰略,構筑一流人才隊伍的支撐保障體系,既要引進“高精尖缺”境外人才,又要注重培養本土專業人才,打造半導體材料高端人才隊伍,充分發揮人才在創新能力提升中的核心作用;四是深化國際間交流合作。利用市場優勢,加強協作與信息共享,謀求共同發展,實現互利共贏。


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