Silīcija vafeles ir pusvadītāju materiālu stūrakmens. Vispirms no tiem izveido silīcija stieņus, velkot monokristālus, un pēc tam sagriež un izgatavo. Tā kā silīcija atomu valences elektronu skaits ir 4 un kārtas skaitlis ir mērens, silīcijam ir īpašas fizikālās un ķīmiskās īpašības, un to var izmantot ķīmiskās, fotoelementu, mikroshēmu un citās jomās. Īpaši mikroshēmu jomā silīcija pusvadītāju īpašības padara to par mikroshēmu stūrakmeni. Fotoelementu jomā to var izmantot saules enerģijas ražošanai. Turklāt silīcijs veido 25,8% no zemes garozas. Tas ir salīdzinoši ērti ieguves un labi pārstrādājams, tāpēc cena ir zema, kas vēl vairāk uzlabo silīcija pielietojuma diapazonu.
1. Silīcijs – mikroshēmu materiālu stūrakmens Silīcija materiālus iedala monokristāliskā silīcijā un polikristāliskā silīcijā pēc atšķirīgā vienību elementu izvietojuma. Lielākā atšķirība starp monokristālisko silīciju un polikristālisko silīciju ir tā, ka monokristāliskā silīcija vienību šūnu izvietojums ir sakārtots, savukārt polikristāliskā silīcijs ir nesakārtots. Runājot par ražošanas metodēm, polikristālisko silīciju parasti izgatavo, tieši ielejot silīcija materiālu tīģelī, lai tas izkausētu, un pēc tam to atdzesē. Monokristālisks silīcijs tiek veidots kristāla stienī, velkot monokristālu (Čočraļska metode). Fizikālo īpašību ziņā abu veidu silīcija īpašības ir diezgan atšķirīgas. Monokristāliskam silīcijam ir spēcīga elektrovadītspēja un augsta fotoelektriskās konversijas efektivitāte. Monokristāliskā silīcija fotoelektriskās konversijas efektivitāte parasti ir aptuveni 17% līdz 25%, savukārt polikristāliskā silīcija efektivitāte ir zem 15%.
▲Pusvadītāju silīcija vafeles un fotoelektriskās silīcija plāksnes
▲ Viena kristāla silīcija vienības šūnu struktūra
Fotoelektriskās silīcija vafeles:Pateicoties fotoelektriskajam efektam un monokristāliskā silīcija acīmredzamajām priekšrocībām, cilvēki izmanto silīcija vafeles, lai pabeigtu saules enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā. Fotoelektriskajā laukā parasti izmanto kvadrātveida monokristāliskos silīcija elementus ar noapaļotiem stūriem. Tiek izmantotas arī lētākas polikristāliskā silīcija vafeles, taču pārveidošanas efektivitāte ir zemāka.
▲ Monokristāliskā silīcija šūnas priekšpuse un aizmugure
▲ Polikristāliskā silīcija šūna priekšā un aizmugurē
Tā kā fotoelementu silīcija plāksnēm ir zemas prasības tādiem parametriem kā tīrība un deformācija, ražošanas process ir salīdzinoši vienkāršs. Kā piemēru ņemot monokristāliskā silīcija šūnas, pirmais solis ir griešana un noapaļošana. Vispirms sagrieziet monokristāliskā silīcija stieni kvadrātveida stieņos atbilstoši izmēra prasībām un pēc tam noapaļojiet kvadrātveida stieņu četrus stūrus. Otrais solis ir kodināšana, kas galvenokārt ir monokristālisko kvadrātveida stieņu virsmas piemaisījumu noņemšana. Trešais solis ir sagriešana. Vispirms pielīmējiet notīrītos kvadrātveida stieņus uz darba dēļa. Pēc tam uzlieciet darba dēli uz griezēja un sagrieziet to atbilstoši iestatītajiem procesa parametriem. Visbeidzot notīriet monokristāliskā silīcija plāksnes un uzraugiet virsmas gludumu, pretestību un citus parametrus.
Pusvadītāju silīcija vafeles:Pusvadītāju silīcija plāksnēm ir augstākas prasības nekā fotoelektriskajām silīcija plāksnēm. Pirmkārt, visas pusvadītāju rūpniecībā izmantotās silīcija vafeles ir monokristālisks silīcijs, lai nodrošinātu vienādas elektriskās īpašības katrā silīcija plāksnītes pozīcijā. Formas un izmēra ziņā fotoelementu monokristāliskā silīcija vafeles ir kvadrātveida, galvenokārt ar sānu garumu 125 mm, 150 mm un 156 mm. Pusvadītājiem izmantotās monokristāliskā silīcija plāksnītes ir apaļas, ar diametru 150 mm (6-collu plāksnītes), 200 mm (8-collu vafeles) un 300 mm (12-collu plāksnītes). Tīrības ziņā monokristāliskā silīcija plāksnēm, ko izmanto fotoelementiem, tīrības prasība ir no 4N-6N (99,99%-99.9999%), bet tīrības prasība monokristāliskā silīcija plāksnēm, ko izmanto pusvadītājiem, ir aptuveni. 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), un minimālā tīrības prasība ir 1000 reižu lielāka nekā monokristāliskā silīcija plāksnītēm, ko izmanto fotoelementiem. Izskata ziņā pusvadītāju ražošanā izmantoto silīcija plātņu virsmas līdzenums, gludums un tīrība ir augstāka nekā fotoelementiem izmantotajām silīcija plāksnēm. Tīrība ir lielākā atšķirība starp monokristāliskā silīcija plāksnēm, ko izmanto fotoelementiem, un monokristāliskā silīcija plāksnēm, ko izmanto pusvadītāju ražošanā.
▲ Pusvadītāju silīcija plāksnīšu ražošanas process
Mūra likuma attīstība ir silīcija vafeļu izstrāde. Tā kā pusvadītāju silīcija plāksnītes ir apaļas, pusvadītāju silīcija vafeles sauc arī par "silīcija plāksnēm" vai "plāksnēm". Vafeles ir mikroshēmu ražošanas "substrāts", un visas mikroshēmas tiek ražotas uz šī "substrāta". Pusvadītāju silīcija plātņu attīstības vēsturē ir divi galvenie virzieni: izmērs un struktūra.
Izmēru ziņā silīcija plāksnīšu izstrādes ceļš kļūst arvien lielāks: integrālās shēmas izstrādes sākumposmā tika izmantotas 0.75-collu plāksnes. Palielinot vafeles laukumu un mikroshēmu skaitu uz vienas vafeles, var samazināt izmaksas. Ap 1965. gadu, ieviešot Mūra likumu, gan integrālās shēmas tehnoloģija, gan silīcija vafeles ievadīja straujas attīstības periodu. Silīcija vafeles ir izgājušas cauri 4-collu, 6-collu, 8-collu un 12-collu mezgliem. Kopš Intel un IBM 2001. gadā kopīgi izstrādāja 12-collu plāksnīšu mikroshēmu ražošanu, pašreizējā galvenā silīcija plāksnīte ir 12-collu vafeles, kas veido aptuveni 70%, bet 18-collu (450 mm) plāksnītes ir. iekļauts darba kārtībā.
▲ Dažādu vafeļu izmēru parametri
▲ Silīcija vafeļu izmēra attīstība
Struktūras ziņā silīcija plāksnīšu attīstības virziens kļūst arvien sarežģītāks: integrālās shēmas izstrādes sākumposmā bija tikai viena veida loģiskā mikroshēma, bet, pieaugot pielietojuma scenāriju, loģisko mikroshēmu, barošanas ierīču skaitam. , analogās mikroshēmas, jauktas analogās un digitālās mikroshēmas, zibatmiņas/DRAM atmiņas mikroshēmas, radiofrekvenču mikroshēmas utt. ir parādījušās viena pēc otras, padarot silīcija plāksnēm dažādas struktūras formas. Tagad galvenokārt ir trīs veidi:
PW (poļu vafele):pulēta vafele. Silīcija vafeles, kas tieši sagrieztas pēc monokristālu vilkšanas, nav perfekti gludas vai deformētas, tāpēc tās vispirms ir jānopulē. Šī metode ir arī primitīvākais silīcija vafeļu apstrādes veids.
AW (Anneal Wafer):Rūdīta vafele. Nepārtraukti attīstoties procesa tehnoloģijām un nepārtraukti samazinot tranzistoru elementu izmērus, pakāpeniski atklājas pulētu plāksnīšu trūkumi, piemēram, lokālie režģa defekti uz silīcija plātņu virsmas un augsts skābekļa saturs uz silīcija plāksnīšu virsmas. Lai atrisinātu šīs problēmas, ir izstrādāta atkausēšanas vafeļu tehnoloģija. Pēc pulēšanas silīcija vafele tiek ievietota krāsns caurulē, kas piepildīta ar inertu gāzi (parasti argonu) rūdīšanai augstā temperatūrā. Tas var ne tikai novērst režģa defektus uz silīcija vafeles virsmas, bet arī samazināt virsmas skābekļa saturu.
EW (Epitaxy Wafer):epitaksiālā silīcija plāksne. Pieaugot integrēto shēmu izmantošanas scenārijiem, silīcija plāksnīšu rūpnīcās ražotās standarta silīcija plāksnes vairs neatbilst dažu produktu prasībām attiecībā uz elektriskajām īpašībām. Tajā pašā laikā režģa defekti, kas samazināti ar termisko atlaidināšanu, nevar izpildīt arvien mazākās līnijas platuma prasības. Tas ir novedis pie epitaksiālo silīcija plātņu rašanās. Parastais epitaksiālais slānis ir silīcija plāna plēve. Silīcija plānās plēves slānis tiek audzēts uz oriģinālās silīcija vafeles bāzes, izmantojot plānslāņa pārklājuma tehnoloģiju. Tā kā silīcija substrāts eksistē kā sēklu kristāls silīcija epitaksijā, epitaksiskā slāņa augšana atkārtos silīcija vafeles kristāla struktūru. Tā kā substrāta silīcija plāksne ir viens kristāls, arī epitaksiālais slānis ir viens kristāls. Tomēr, tā kā tā nav pulēta, režģa defekti uz silīcija vafeles virsmas pēc augšanas var tikt samazināti līdz ļoti zemam līmenim.
Epitaksijas tehniskie rādītāji galvenokārt ietver epitaksijas slāņa biezumu un tā viendabīgumu, pretestības viendabīgumu, korpusa metāla kontroli, daļiņu kontroli, sakraušanas defektus, dislokācijas un citu defektu kontroli. Šajā posmā cilvēki ir sasnieguši augstu epitaksijas silīcija plāksnīšu kvalitāti, optimizējot epitaksijas reakcijas temperatūru, epitaksijas gāzes plūsmas ātrumu un centra un malu temperatūras gradientus. Sakarā ar dažādiem produktiem un tehnoloģisko uzlabojumu nepieciešamību, epitaksiālais process ir nepārtraukti optimizēts, lai sasniegtu augstu epitaksiālo silīcija plāksnīšu kvalitāti.
Turklāt pašreizējā tehnoloģija var radīt epitaksiālos slāņus ar pretestības dopinga elementiem un dopinga koncentrāciju, kas atšķiras no oriģinālās silīcija plāksnītes koncentrācijām, kas ļauj vieglāk kontrolēt audzētās silīcija plāksnītes elektriskās īpašības. Piemēram, uz P tipa silīcija plāksnītes var izveidot N-veida silīcija epitaksiālā slāņa slāni, tādējādi veidojot zemas koncentrācijas leģētu PN savienojumu, kas var optimizēt pārrāvuma spriegumu un samazināt fiksatora efektu turpmākajā mikroshēmas ražošanā. Epitaksiskā slāņa biezums parasti atšķiras atkarībā no lietošanas scenārija. Parasti loģiskās mikroshēmas biezums ir aptuveni 0,5 mikroni līdz 5 mikroni, un barošanas ierīces biezums ir aptuveni 50 mikroni līdz 100 mikroni, jo tai ir jāiztur augsts spriegums.
▲ Epitaksijas silīcija vafeļu augšanas process
▲ Dažāds epitaksiālo vafeļu dopings
SW (SOI vafele):SOI nozīmē Silicon-On-Izolators. SOI silīcija vafeles bieži izmanto RF priekšgala mikroshēmās, jo tām ir tādas priekšrocības kā maza parazitārā kapacitāte, mazs īsu kanālu efekts, augsts mantojuma blīvums, liels ātrums, zems enerģijas patēriņš un īpaši zems substrāta troksnis.
▲ Parasta silīcija MOS struktūra
▲ SOI silīcija vafeles MOS struktūra
Ir četras galvenās SOI silīcija vafeļu ražošanas metodes:SIMOX tehnoloģija, Bonding tehnoloģija, Sim-bond tehnoloģija un Smart-CutTM tehnoloģija; SOI silīcija plātņu princips ir salīdzinoši vienkāršs, un galvenais mērķis ir pievienot izolācijas slāni (parasti galvenokārt silīcija dioksīda SiO2) substrāta vidū.
▲ Četras SOI vafeļu ražošanas tehnoloģijas
No veiktspējas parametru viedokļa Smart-CutTM tehnoloģija ir izcilākā veiktspēja pašreizējā SOI silīcija vafeļu ražošanas tehnoloģijā. Simbond tehnoloģijas veiktspēja daudz neatšķiras no Smart-Cut tehnoloģijas, taču augšējā silīcija biezuma ziņā ar Smart-Cut tehnoloģiju ražotā SOI silīcija plāksne ir plānāka, un no ražošanas izmaksu viedokļa Smart ir plānāks. -Cut tehnoloģija var atkārtoti izmantot silīcija vafeles. Nākotnes masveida ražošanai Smart-Cut tehnoloģijai ir vairāk izmaksu priekšrocību, tāpēc nozare tagad parasti atzīst Smart-Cut tehnoloģiju kā SOI silīcija plātņu nākotnes attīstības virzienu.
▲ Dažādu SOI vafeļu ražošanas tehnoloģiju veiktspējas salīdzinājums
SIMOX tehnoloģija: SIMOX nozīmē atdalīšana ar implantētu skābekli. Skābekļa atomi tiek ievadīti plāksnē un pēc tam atkvēlināti augstā temperatūrā, lai reaģētu ar apkārtējiem silīcija atomiem, veidojot silīcija dioksīda slāni. Šīs tehnoloģijas grūtības ir kontrolēt skābekļa jonu implantācijas dziļumu un biezumu. Tam ir augstas prasības pret jonu implantācijas tehnoloģiju.
Līmēšanas tehnoloģija: Līmēšanas tehnoloģiju sauc arī par līmēšanas tehnoloģiju. SOI silīcija vafeles, kas izgatavotas ar līmēšanas palīdzību, tiek sauktas arī par Bonded SOI vai saīsināti BSOI. Līmēšanas tehnoloģijai ir nepieciešamas divas parastās silīcija vafeles, no kurām viena ir audzēta ar oksīda slāni (SiO2) un pēc tam savienota ar citu silīcija avotu. Savienojums ir oksīda slānis. Visbeidzot tas tiek slīpēts un pulēts līdz vēlamajam apraktā slāņa dziļumam (SiO2). Tā kā savienošanas tehnoloģija ir vienkāršāka nekā jonu implantācijas tehnoloģija, lielākā daļa SOI silīcija vafeļu pašlaik tiek izgatavotas, izmantojot savienošanas tehnoloģiju.
▲ Silīcijs uz izolators
▲ Vafeļu savienošanas metode silīcija veidošanai uz izolatora
Sim-bond tehnoloģija:skābekļa iesmidzināšanas savienošanas tehnoloģija. Sim-bond tehnoloģija ir SIMOX un bond tehnoloģijas kombinācija. Priekšrocība ir tāda, ka apraktā oksīda slāņa biezumu var kontrolēt ar augstu precizitāti. Pirmais solis ir skābekļa jonu ievadīšana silīcija plāksnītē, pēc tam atkvēlināšana augstā temperatūrā, veidojot oksīda slāni, un pēc tam uz silīcija vafeles virsmas izveido SiO2 oksīda slāni. Otrais solis ir silīcija vafeles piestiprināšana citai vafelei. Pēc tam atlaidiniet augstā temperatūrā, lai izveidotu perfektu savienojuma saskarni. Trešais solis ir retināšanas process. Atšķaidīšana tiek veikta, izmantojot CMP tehnoloģiju, bet atšķirībā no bond tehnoloģijas, sim-bond ir pašaptures slānis, kas automātiski apstāsies, pieslīpējot līdz SiO2 slānim. Pēc tam SiO2 slānis tiek noņemts ar kodināšanu. Pēdējais solis ir pulēšana.
Smart-cut tehnoloģija:viedā pīlinga tehnoloģija. Smart-cut tehnoloģija ir savienošanas tehnoloģijas paplašinājums. Pirmais solis ir vafeles oksidēšana un fiksēta biezuma SiO2 ģenerēšana uz vafeles virsmas. Otrais solis ir izmantot jonu implantācijas tehnoloģiju, lai ievadītu ūdeņraža jonus noteiktā vafeles dziļumā. Trešais solis ir citas vafeles pielīmēšana pie oksidētās vafeles. Ceturtais solis ir izmantot zemas temperatūras termiskās atkausēšanas tehnoloģiju, lai veidotu burbuļus ar ūdeņraža joniem, kas izraisa silīcija vafeles daļas nolobīšanos. Pēc tam tiek izmantota augstas temperatūras termiskās atlaidināšanas tehnoloģija, lai palielinātu savienojuma stiprību. Piektais solis ir silīcija virsmas saplacināšana. Šī tehnoloģija ir starptautiski atzīta kā SOI tehnoloģijas attīstības virziens. Apglabātā oksīda slāņa biezumu pilnībā nosaka ūdeņraža jonu implantācijas dziļums, kas ir precīzāks. Turklāt nomizotās vafeles var izmantot atkārtoti, kas ievērojami samazina izmaksas.
▲SIM savienojuma metode, lai izveidotu silīciju uz izolatora
▲ Viedā griezuma metode silīcija uz izolatora veidošanai
2. Augstas barjeras ražošanas tehnoloģija 1. Ražošanas tehnoloģija
Silīcija vafeļu izejviela ir kvarcs, ko parasti sauc par smiltīm, ko var iegūt tieši dabā. Vafeļu ražošanas procesu var pabeigt vairākos posmos: galvenokārt deoksidācija un attīrīšana, polisilīcija attīrīšana, monokristāla silīcija stieņi (silīcija stieņi), velmēšana, vafeļu griešana, vafeļu pulēšana, atkausēšana, testēšana, iepakošana un citas darbības.
▲CZ (Czochralski) pusvadītāju plāksnīšu ražošanas process
▲CZ Farad monokristālu shēma
Deoksidācija un attīrīšana:Pirmais solis silīcija vafeļu ražošanā ir kvarca rūdas deoksidēšana un attīrīšana. Galvenie procesi ietver šķirošanu, magnētisko atdalīšanu, flotāciju, augstas temperatūras degazēšanu utt. Galvenie dzelzs un alumīnija piemaisījumi rūdā tiek noņemti.
Polisilīcija rafinēšana:Pēc relatīvi tīra SiO2 iegūšanas ķīmisko reakciju rezultātā tiek iegūts monokristālu silīcijs. Galvenā reakcija ir SiO2+C→Si+CO. Pēc reakcijas pabeigšanas CO tieši iztvaiko, tāpēc paliek tikai silīcija kristāli. Šobrīd silīcijs ir polikristālisks silīcijs, un tas ir neapstrādāts silīcijs, kas satur daudz piemaisījumu. Lai izfiltrētu liekos piemaisījumus, iegūtais neapstrādāts silīcijs ir jāmarinē. Parasti izmantotās skābes ir sālsskābe (HCl), sērskābe (H2SO4) utt. Silīcija saturs pēc mērcēšanas skābē parasti pārsniedz 99,7%. Kodināšanas procesā skābē izšķīdina un izfiltrē arī dzelzi, alumīniju un citus elementus. Tomēr silīcijs reaģē arī ar skābi, veidojot SiHCl3 (trihlorsilānu) vai SiCl4 (silīcija tetrahlorīdu). Taču abas vielas ir gāzveida stāvoklī, tāpēc pēc kodināšanas skābē ir izšķīdināti sākotnējie piemaisījumi, piemēram, dzelzs un alumīnijs, bet silīcijs kļuvis gāzveida. Visbeidzot, augstas tīrības pakāpes gāzveida SiHCl3 vai SiCl4 tiek reducēts ar ūdeņradi, lai iegūtu augstas tīrības pakāpes polikristālisko silīciju.
Ar CZ metodi tiek iegūts monokristāla silīcijs:silīcija vafeles galvenokārt izmanto loģikas un atmiņas mikroshēmās, un to tirgus daļa ir aptuveni 95 %; CZ metode radās no Czochralski 1918. gadā no kausēta metāla zīmējot plānus pavedienus, tāpēc to sauc arī par CZ metodi. Šī ir mūsdienu monokristāla silīcija audzēšanas galvenā tehnoloģija. Galvenais process ir ievietot polikristālisko silīciju tīģelī, karsēt, lai tas izkausētu, un pēc tam saspiest monokristāla silīcija sēklu kristālu un apturēt to virs tīģeļa. Velkot to vertikāli, viens gals tiek ievietots kausējumā, līdz tas izkūst, un pēc tam to lēnām pagriež un velk uz augšu. Tādā veidā saskarne starp šķidrumu un cieto vielu pakāpeniski kondensējas, veidojot vienu kristālu. Tā kā visu procesu var uzskatīt par sēklu kristāla atkārtošanas procesu, radītais silīcija kristāls ir monokristāla silīcijs. Turklāt vafeles dopings tiek veikts arī monokristāla vilkšanas procesā, parasti šķidrās fāzes un gāzes fāzes dopingā. Šķidrās fāzes dopings attiecas uz P tipa vai N tipa elementu pievienošanu tīģelī. Vienkristālu vilkšanas procesā šos elementus var tieši ievilkt silīcija stienī.
▲CZ Faraday monokristālu metode
▲Silīcija stienis pēc monokristāla vilkšanas
Ritināšanas diametrs:Tā kā monokristāla vilkšanas procesā ir grūti kontrolēt monokristāla silīcija stieņa diametru, lai iegūtu standarta diametra silīcija stieni, piemēram, 6 collas, 8 collas, 12 collas utt. monokristāls, silīcija lietņa diametrs tiks velmēts. Silīcija stieņa virsma pēc velmēšanas ir gluda un izmēra kļūda ir mazāka.
Griešanas slīpēšana:Pēc silīcija stieņa iegūšanas vafele tiek sagriezta. Silīcija stieņu novieto uz fiksētas griešanas mašīnas un griež saskaņā ar iestatīto griešanas programmu. Tā kā silīcija vafeles biezums ir mazs, sagrieztās silīcija vafeles mala ir ļoti asa. Noslīpēšanas mērķis ir veidot gludu malu. Noslīpētajai silīcija plāksnei ir mazāks centra spriegums, kas padara to stingrāku un to nav viegli salauzt turpmākajā mikroshēmu ražošanā.
Pulēšana:Pulēšanas galvenais mērķis ir padarīt vafeles virsmu gludāku, līdzenu un bez bojājumiem, kā arī nodrošināt katras vafeles biezuma konsistenci.
Testa iepakojums:Pēc pulētās silīcija vafeles iegūšanas ir jāpārbauda silīcija vafeles elektriskās īpašības, piemēram, pretestība un citi parametri. Lielākajai daļai silīcija vafeļu rūpnīcu ir epitaksiālo plāksnīšu pakalpojumi. Ja ir nepieciešamas epitaksiālās plāksnītes, tiks veikta epitaksiālā plāksnīšu augšana. Ja epitaksiālā plāksne nav nepieciešama, tā tiks iepakota un nosūtīta uz citām epitaksiālo vafeļu rūpnīcām vai vafeļu rūpnīcām.
Zonu kausēšanas metode (FZ):Ar šo metodi izgatavotās silīcija vafeles galvenokārt tiek izmantotas dažās jaudas mikroshēmās, kuru tirgus daļa ir aptuveni 4%; silīcija vafeles, kas izgatavotas ar FZ (zonu kausēšanas metodi), galvenokārt tiek izmantotas kā barošanas ierīces. Un silīcija vafeļu izmērs galvenokārt ir 8 collas un 6 collas. Pašlaik aptuveni 15% silīcija plāksnīšu tiek izgatavotas ar zonu kausēšanas metodi. Salīdzinot ar silīcija plāksnēm, kas izgatavotas ar CZ metodi, FZ metodes lielākā iezīme ir tā, ka tai ir salīdzinoši augsta pretestība, augstāka tīrība un tā var izturēt augstu spriegumu, taču ir grūti izgatavot liela izmēra vafeles, un mehāniskās īpašības ir sliktas, tāpēc to bieži izmanto barošanas ierīču silīcija plāksnēm, un to reti izmanto integrālajās shēmās.
Vienkristāla silīcija stieņu izgatavošanā ar zonas kausēšanas metodi ir trīs soļi:
1. Sildiet polikristālisko silīciju, saskarieties ar sēklu kristālu un pagrieziet uz leju, lai vilktu monokristālu. Krāsns kamerā vakuuma vai inertas gāzes vidē izmantojiet elektrisko lauku, lai uzsildītu polikristāliskā silīcija stieni, līdz polikristāliskais silīcijs apsildāmajā zonā izkūst, veidojot izkausētu zonu.
2. Sazinieties ar izkusušo zonu ar sēklu kristālu un izkausējiet to.
3. Pārvietojot elektriskā lauka sildīšanas pozīciju, polisilīcija izkausētā zona nepārtraukti virzās uz augšu, savukārt sēklu kristāls lēnām griežas un stiepjas uz leju, pakāpeniski veidojot monokristāla silīcija stieni. Tā kā zonas kausēšanas metodē netiek izmantots tīģelis, tiek novērsti daudzi piesārņojuma avoti, un monokristālam, ko velk ar zonas kausēšanas metodi, ir augstas tīrības īpašības.
▲FZ Farad monokristālu telpas struktūra
▲ FZ monokristāla vilkšanas shematiskā diagramma
2. Ražošanas izmaksas
Pusvadītāju silīcija plāksnēm ir augstākas prasības attiecībā uz tīrību un elektriskām īpašībām nekā jaunām enerģijas silīcija plāksnēm, tāpēc ražošanas procesā ir nepieciešams vairāk attīrīšanas posmu un izejvielu piegādes, kā rezultātā tiek iegūts daudzveidīgāks ražošanas izejvielu klāsts. Līdz ar to silīcija materiālu izmaksu īpatsvars ir relatīvi samazināts, bet ražošanas izmaksu īpatsvars tiks salīdzinoši palielināts.
Pusvadītāju silīcija plātnēm galvenās izmaksas ir izejvielu izmaksas, kas veido aptuveni 47% no galvenajām uzņēmējdarbības izmaksām. Otrais ir ražošanas izdevumi, kas veido aptuveni 38,6%. Līdzīgi kā pusvadītāju ražošanas nozare, arī silīcija plāksnīšu nozare ir kapitālietilpīga nozare ar lielu pieprasījumu pēc ieguldījumiem pamatlīdzekļos, kas radīs lielus ražošanas izdevumus pamatlīdzekļu, piemēram, mašīnu un iekārtu, nolietojuma dēļ. Visbeidzot, tiešās darbaspēka izmaksas veido aptuveni 14,4%.
Starp silīcija plāksnīšu ražošanas izejvielu izmaksām polisilīcijs ir galvenā izejviela, kas veido aptuveni 30,7%. Otrais ir iepakojuma materiāli, kas veido aptuveni 17,0%. Tā kā pusvadītāju silīcija plāksnēm ir augstas prasības attiecībā uz tīrību un vakuumu, īpaši silīcija plāksnēm, kuras viegli oksidējas, prasības iepakojumam ir daudz augstākas nekā jaunās enerģijas silīcija plāksnēm. Tāpēc izmaksu struktūrā iepakojuma materiāliem ir liela daļa. Kvarca tīģeļi veido aptuveni 8,7% no izejvielu izmaksām. Kvarca tīģelis, ko izmanto pusvadītāju silīcija vafeļu ražošanā, ir arī vienreiz lietojams tīģelis, taču tīģeļa fizikālās un termiskās īpašības ir prasīgākas. Pulēšanas šķidrums, slīpripas un pulēšanas paliktnis kopā veido 13,8%, un tos galvenokārt izmanto silīcija vafeļu pulēšanas procesā.
▲Silīcija nozares darbības izmaksu struktūra 2018. gadā
▲Silīcija rūpniecības izejvielu sastāvs 2018. gadā
Ūdens un elektrības izmaksas veido aptuveni 15% no ražošanas izmaksām: Ražošanas izmaksās kopējās ūdens un elektrības izmaksas veido aptuveni 15% no visām ražošanas izmaksām, no kurām elektroenerģijas izmaksas veido aptuveni 11,4% un ūdens izmaksas veido aptuveni 15% no ražošanas izmaksām. apmēram 3,4%. Atbilstošo summu izteiksmē saskaņā ar Silicon Industry Group 2018. gada finanšu datiem kopējās elektroenerģijas un ūdens izmaksu izmaksas ir līdzvērtīgas iepakojuma materiālu izmaksām, kas veido aptuveni pusi no polisilīcija materiāla. Elektroenerģijas izmaksas ir nedaudz augstākas nekā kvarca tīģeļiem par aptuveni 20%.
▲Silīcija rūpniecības ražošanas izmaksu īpatsvars 2018. gadā
▲ Silīcija nozares grupas daļējais izmaksu sastāvs 2018. gadā (vienība: 10,000 juaņas)
3, četri šķēršļi silīcija vafeļu ražošanai
Šķēršļi silīcija plāksnēm ir salīdzinoši augsti, īpaši pusvadītāju silīcija plāksnēm. Ir četri galvenie šķēršļi: tehniskie šķēršļi, sertifikācijas šķēršļi, aprīkojuma šķēršļi un kapitāla šķēršļi.
▲ Galvenie šķēršļi silīcija plātņu ražošanas nozarei
Tehniskie šķēršļi:Silīcija vafeļu tehniskie rādītāji ir salīdzinoši lieli. Papildus parastajam izmēram, pulēšanas biezumam utt., Silīcija plāksnēm ir arī deformācija, pretestība, izliekums utt. Attiecībā uz galvenajām 300 mm silīcija plāksnēm, ņemot vērā silīcija plātņu progresīvo procesu augstās viendabības prasības, salīdzinot ar 200 mm plāksnēm, tiek pievienoti tādi parametri kā plakanums, deformācija, izliekums un virsmas metāla atlikums, lai uzraudzītu 300 mm silīcija plātņu kvalitātes prasības. . Tīrības ziņā uzlabotā procesa silīcija plāksnēm ir jābūt aptuveni 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), kas ir galvenā tehniskā barjera silīcija plāksnīšu piegādātājiem.
Silīcija vafeles ir īpaši pielāgoti produkti; tīrība ir silīcija plātņu pamatparametrs un arī galvenā tehniskā barjera. Turklāt silīcija vafeles nav universāli izstrādājumi, un tos nevar kopēt. Lielo silīcija plātņu specifikācijas dažādās vafeļu lietuvēs ir pilnīgi atšķirīgas, un dažādu galaproduktu dažādais lietojums radīs arī pilnīgi atšķirīgas prasības attiecībā uz silīcija plāksnēm. Tas prasa, lai silīcija plāksnīšu ražotāji izstrādātu un ražotu dažādas silīcija vafeles atbilstoši dažādiem galapatērētāju produktiem, kas vēl vairāk apgrūtina silīcija plāksnīšu piegādi.
▲Uzņēmuma biznesa segmentu peļņas prognoze
Sertifikācijas šķēršļi:Šķeldas ražotājiem ir stingras prasības dažādu izejvielu kvalitātei un viņi ir ļoti piesardzīgi, izvēloties piegādātājus. Iekļūšanai mikroshēmu ražotāju piegādātāju sarakstā ir lielas barjeras. Parasti mikroshēmu ražotāji prasīs silīcija plāksnīšu piegādātājiem nodrošināt dažas silīcija vafeles izmēģinājuma ražošanai, un lielākā daļa no tām tiek izmantotas testa plāksnēm, nevis vafeļu masveida ražošanai. Pēc testa vafeļu nokārtošanas izmēģinājuma režīmā tiks ražotas nelielas masveida vafeļu partijas. Pēc iekšējās sertifikācijas nokārtošanas mikroshēmu ražotājs nosūtīs produktus pakārtotajiem klientiem. Pēc klientu sertifikācijas iegūšanas silīcija vafeļu piegādātājs tiks galīgi sertificēts un tiks parakstīts pirkuma līgums. Ir nepieciešams ilgs laiks, līdz pusvadītāju silīcija plātņu uzņēmumu produkti nonāk mikroshēmu ražotāju piegādes ķēdē. Jauno piegādātāju sertifikācijas cikls ilgst vismaz 12-18 mēnešus.
Turklāt sertifikācijas šķēršļi no testa plāksnēm līdz masveida ražošanas plāksnēm: pašlaik lielākā daļa 12-collu plāksnīšu Ķīnā joprojām ir testa plāksnīšu piegādē, taču testa plāksnīšu sertifikācijas procedūras pilnīgi atšķiras no tām. masveida ražošanas vafeles, un masveida ražošanas silīcija plātņu sertifikācijas standarti ir stingrāki. Tā kā testa silīcija vafeles neražo mikroshēmas, tām ir jāsertificē tikai pati vafeļu lietuve, un tās ir jāsertificē tikai pašreizējā ražošanas vietā. Tomēr masveidā ražotām silīcija plāksnēm tās ir jāsertificē termināla fabless klientiem un jāuzrauga visos visa ražošanas procesa posmos, pirms tās var piegādāt partijās. Vispārīgi runājot, lai saglabātu silīcija vafeļu piegādes stabilitāti un mikroshēmas iznākumu. Tiklīdz plāksnīšu ražotājs un silīcija plāksnīšu piegādātājs nodibinās piegādes attiecības, viņi nevarēs viegli mainīt piegādātājus, un abas puses izveidos atgriezeniskās saites mehānismu, lai apmierinātu personalizētas vajadzības, un saķere starp silīcija plāksnīšu piegādātājiem un klientiem turpinās pieaugt. Ja piegādātāju rindām pievienojas jauns silīcija plāksnīšu ražotājs, tam jānodrošina ciešākas sadarbības attiecības un augstāka silīcija plāksnīšu kvalitāte nekā sākotnējam piegādātājam. Tāpēc silīcija plāksnīšu rūpniecībā lipīgums starp silīcija plāksnīšu piegādātājiem un plākšņu ražotājiem ir salīdzinoši liels, un jaunajiem piegādātājiem ir grūti pārtraukt lipīgumu.
Aprīkojuma barjeras:Galvenā iekārta silīcija plāksnīšu ražošanai ir monokristāla krāsns, ko var raksturot kā "fotolitogrāfijas iekārtu" silīcija plāksnēs. Starptautisko galveno silīcija plātņu ražotāju monokristāla krāsnis ražo paši. Piemēram, Shin-Etsu un SUMCO monokristāla krāsnis ir neatkarīgi projektējis un ražojis uzņēmums vai arī projektē un ražo meitasuzņēmumi, un citi silīcija plāksnīšu ražotāji nevar tās iegādāties. Citiem lielākajiem silīcija plākšņu ražotājiem ir savi neatkarīgi monokristālu krāšņu piegādātāji un viņi paraksta stingrus konfidencialitātes līgumus, kas padara ārējos silīcija plāksnīšu ražotājus neiespējamus iegādāties vai arī var iegādāties tikai parastās monokristāla krāsnis, bet nevar piegādāt augstas specifikācijas monokristāla krāsnis. . Tāpēc iekārtu barjeras ir arī iemesls, kāpēc vietējie ražotāji nevar iekļūt globālo silīcija plākšņu piegādātāju vidū.
Kapitāla barjeras:Pusvadītāju silīcija plātņu ražošanas process ir sarežģīts, un tam ir jāiegādājas uzlabotas un dārgas ražošanas iekārtas, kā arī nepieciešama nepārtraukta modifikācija un atkļūdošana atbilstoši klientu dažādajām vajadzībām. Augsto fiksēto izmaksu, piemēram, iekārtu nolietojuma, dēļ pakārtotā pieprasījuma izmaiņām ir lielāka ietekme uz silīcija plāksnīšu uzņēmumu jaudas izmantošanu un līdz ar to arī uz silīcija plāksnīšu ražošanas uzņēmumu peļņu. Jo īpaši uzņēmumi, kas tikko ienākuši silīcija plāksnīšu nozarē, ir gandrīz bijuši zaudējumus nesošā stāvoklī, pirms tie ir sasnieguši sūtījumu apjomu, un tiem ir augstas prasības attiecībā uz kapitāla barjerām. Turklāt silīcija plātnēm paredzēto vafeļu materiālu ilgā sertifikācijas cikla dēļ silīcija vafeļu ražotājiem šajā periodā ir jāturpina investēt, kas arī prasa lielus līdzekļus.
3. Joprojām būs pusvadītāju materiālu karalis Pašlaik pusvadītāju vafeļu tirgū dominē silīcija materiāli. Silīcija materiāli veido aptuveni 95% no visa pusvadītāju tirgus. Citi materiāli galvenokārt ir salikti pusvadītāju materiāli, galvenokārt otrās paaudzes pusvadītāju materiāla GaAs plāksnītes un trešās paaudzes pusvadītāju materiālu SiC un GaN vafeles. Starp tiem silīcija plāksnītes galvenokārt ir loģiskās mikroshēmas, atmiņas mikroshēmas utt., un tās ir visplašāk izmantotie pusvadītāju plāksnīšu materiāli. GaAs vafeles galvenokārt ir RF mikroshēmas, un galvenie lietojuma scenāriji ir zemspriegums un augsta frekvence; trešās paaudzes pusvadītāju materiāli galvenokārt ir lieljaudas un augstfrekvences mikroshēmas, un galvenie pielietojuma scenāriji ir augstas frekvences un lielas jaudas.
▲ Vafeļu materiāla attiecība
▲ Dažādu materiālu vafeļu pielietojuma joma
Saliktajiem pusvadītājiem un silīcija materiāliem nav konkurences attiecības, bet gan komplementāras attiecības; pusvadītāju materiālu (īpaši plāksnīšu, substrātu un epitaksiālo plāksnīšu materiālu) izstrādes likumi ietver trīs veidus, proti, izmēru, ātrumu un jaudu, un trīs ceļi atbilst pirmās, otrās un trešās paaudzes pusvadītāju materiāliem.
▲ Pirmās/otrās/trešās paaudzes materiālu veiktspējas salīdzinājums
Pirmās paaudzes pusvadītāju materiāli:Liela izmēra maršruts: pirmās paaudzes pusvadītāju materiāli attiecas uz silīcija materiāliem. Silīcija materiāli ir agrāk izstrādātie vafeļu materiāli, un tie ir arī materiāli ar visnobriedušāko tehnoloģiju, viszemākajām izmaksām un vispilnīgāko rūpniecisko ķēdi šajā posmā. Tajā pašā laikā, palielinoties silīcija vafeļu izmēram, vienas mikroshēmas izmaksas samazinās. Galvenās pielietojuma jomas ir loģiskās mikroshēmas un zemsprieguma, mazjaudas lauki. Silīcija plāksnīšu izmērs svārstās no 2 collas, 4 collas, 6 collas, 8 collas līdz mūsdienu galvenajai 12-collu vafeļu tehnoloģijai. Tipiski silīcija vafeļu uzņēmumi ir Japānas Shin-Etsu Chemical, Sumco uc Pašlaik galvenajās starptautiskajās vafeļu ražotnēs kā galvenais ražošanas materiāls tiek izmantoti silīcija materiāli.
▲ Dažādu vafeļu izmēru salīdzinājums
Otrās paaudzes pusvadītāju materiāli:ātrgaitas maršruts. Tā kā mikroshēmai ir jāspēj izturēt augstfrekvences pārslēgšanu RF ķēdē, tika izgudrota otrās paaudzes pusvadītāju vafele. Galvenais pielietojuma lauks ir RF ķēde, un tipiskais termināļa lauks ir mobilo termināļu, piemēram, mobilo tālruņu, RF mikroshēma. Otrās paaudzes pusvadītāju galvenokārt pārstāv GaAs (gallija arsenīds) un InP (indija fosfīds), starp kuriem GaAs ir mūsdienās plaši izmantotais mobilā termināļa RF mikroshēmas materiāls. Tipiski lietuvju uzņēmumi ir Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo utt., kas ir RF mikroshēmu IDM uzņēmumi. Pašreizējā galvenā plūsma ir 4-collu un 6-collu vafeles.
Trešās paaudzes pusvadītāju materiāli:lieljaudas maršruts: gandrīz tajā pašā sākuma punktā, ar vislielākajām iespējām. Trešais ceļš ir palielināt jaudu, kas veicinās tās plašu pielietojumu lieljaudas ķēžu jomā. Galvenie materiāli ir SiC un GaN. Galvenie termināļi ir rūpniecības, autobūves un citas jomas. Strāvas maršrutā tika izstrādātas IGBT mikroshēmas uz silīcija materiāliem, savukārt SiC (silīcija karbīds) un GaN (gallija nitrīds) materiāliem ir augstāka veiktspēja nekā IGBT. Pašlaik SiC vafeles galvenokārt ir 4-collas un 6- collas, un GaN materiāli galvenokārt ir 6-collas un 8- collas. Pasaules lielākās lietuves ir Cree un Wolfspeed ASV un X-Fab Vācijā. Taču arī šajā jomā starptautisko milžu attīstība notiek salīdzinoši lēni. Tādi pašmāju uzņēmumi kā Sanan Optoelectronics, lai gan joprojām pastāv zināma plaisa tehnoloģiju līmenī, atrodas visas nozares sākuma stadijā un, visticamāk, izjauks ārvalstu monopolu un ieņems vietu starptautiskajā spēka lietuvju kartē.
Saliktiem materiāliem ir nepieciešami silīcija substrāti:Lai gan pašlaik ir liels skaits SiC un GaN vafeļu mikroshēmu, piemēram, Xiaomi, OPPO un Realme izlaistie GaN lādētāji, un Tesla izdotajā modelī3 tiek izmantots SiC MOSFET, nevis IGBT. Tomēr attiecībā uz plāksnēm lielākā daļa patērētāju kombinēto pusvadītāju mikroshēmu pašlaik izmanto silīcija plāksnītes kā substrātus un pēc tam veido saliktas epitaksiālās plāksnes un pēc tam veido mikroshēmas uz epitaksiālajām plāksnēm.
Salikto pusvadītāju plātņu izmaksas ir salīdzinoši augstas:Pašlaik salikto pusvadītāju ražošanas ķēdes nepilnības dēļ salikto pusvadītāju ražošanas jauda ir zema un salikto pusvadītāju plātņu cena ir salīdzinoši augsta. Tas noved pie zemas galalietotāja pieņemšanas, un plaša patēriņa elektronikas galvenais risinājums joprojām ir "silīcija substrāts + salikta epitaksiālā plāksne". Automobiļu jomā uz silīcija bāzes izgatavots IGBT joprojām ir galvenais risinājums. Uz silīcija bāzes veidotām IGBT mikroshēmām ir zemas izmaksas un plašs izvēles spriegumu klāsts. SiC MOSFET ierīču cena ir 6 līdz 10 reizes augstāka par silīcija bāzes IGBT. Salīdzinot SiC-MOSFET un Si-IGBT veiktspējas parametrus saskaņā ar Infineon 650V/20A tehniskajiem parametriem, SiC-MOSFET darbības parametru ziņā joprojām ir pārāks par Si-IGBT, bet cenas ziņā SiC-MOSFET ir 7 reizes lielāks nekā. Si-IGBT. Turklāt, samazinoties SiC ierīču ieslēgšanas pretestībai, SiC-MOSFET cena pieaug eksponenciāli. Piemēram, ja ieslēgšanas pretestība ir 45 miliomi, SiC-MOSFET ir tikai 57,6 USD, ja ieslēgšanas pretestība ir 11 miliomi, cena ir 159,11 USD, un, ja ieslēgšanas pretestība ir vienāda ar 6 miliomiem, cena ir sasniegusi. 310,98 ASV dolāri.
▲ Infineon SiC-MOSFET un Si-IGBT salīdzinājums
▲ Infineon SiC-MOSFET cena un pretestības attiecība
4, iekšzemes centieni ir radījuši milzīgu tirgus potenciālu.
1. Silīcija vafeļu tirgus ieiet izaugsmes ciklā.
Pusvadītāju ražošanas materiālu īpatsvars gadu no gada ir pieaudzis. Pusvadītāju materiālus var iedalīt iepakojuma materiālos un ražošanas materiālos (tostarp silīcija vafeles un dažādas ķīmiskās vielas utt.). Ilgtermiņā pusvadītāju ražošanas materiāli un iepakojuma materiāli ir vienādi. Tomēr kopš 2011. gada, nepārtraukti attīstot progresīvus procesus, pusvadītāju ražošanas materiālu patēriņš ir pakāpeniski palielinājies, un pakāpeniski palielinājusies atšķirība starp ražošanas materiāliem un iepakojuma materiāliem. 2018. gadā ražošanas materiālu pārdošanas apjoms bija 32,2 miljardi ASV dolāru, iepakojuma materiālu pārdošanas apjoms bija 19,7 miljardi ASV dolāru, un ražošanas materiālu apjoms bija aptuveni 1,6 reizes lielāks nekā iepakojuma materiālu pārdošanas apjoms. No pusvadītāju materiāliem ražošanas materiāli veido aptuveni 62%, bet iepakojuma materiāli - 38%.
▲Pusvadītāju materiālu patēriņa īpatsvars 2018. gadā
▲ Pusvadītāju ražošanas materiālu izmaksu attiecība
Silīcija vafeles ir lielākās pusvadītāju ražošanas palīgmateriāli; starp ražošanas materiāliem lielāko īpatsvaru veido silīcija vafeles kā pusvadītāju izejvielas, sasniedzot 37%. Kopš 2017. gada, kad "AlphaGo" uzvarēja Lī Sedolu, jaunas zvaigžņu tehnoloģijas mākslīgā intelekta vadībā ir galvenās tehnoloģijas, kas virza globālo pusvadītāju attīstību. Jo īpaši 2018. gadā pieauga globālais pieprasījums pēc atmiņas, kā arī blokķēdes tehnoloģijas uzliesmojums, un pieprasījums pēc silīcija plāksnēm sasniedza rekordaugstu līmeni. Pasaules pusvadītāju sūtījumu pieaugums ir veicinājis arī strauju silīcija plāksnīšu sūtījumu pieaugumu. Runājot par sūtījumiem, 2018. gadā pasaules silīcija plāksnīšu sūtījumu platība pirmo reizi pārsniedza 10 miljardus kvadrātcollu, sasniedzot 12,7 miljardus kvadrātcollu. 2019. gadā tirdzniecības berzes dēļ pirmajā pusgadā sūtījumu platība samazinājās līdz 11,8 miljardiem kvadrātcollu. Runājot par tirgus apgrozījumu, pasaules tirgus pārdošanas apjoms 2018. gadā bija 11,4 miljardi ASV dolāru, bet 2019. gadā tas sasniedza 11,2 miljardus ASV dolāru.
▲2009-2019 Pasaules silīcija plāksnīšu piegādes apgabals
▲2009-2019 Globālā silīcija plāksnīšu tirdzniecība
No plāksnīšu segmentācijas viedokļa, ņemot vērā otrās un trešās paaudzes pusvadītāju materiālu augstās izmaksas un faktu, ka lielākā daļa salikto pusvadītāju ir balstīti uz silīcija plāksnēm, silīcija plāksnītes veido 95% no globālajiem plāksnīšu substrātiem. No konkrētu vafeļu izmēru viedokļa 12-collu vafeles ir galvenais globālo silīcija plātņu veids. 2018. gadā 12-collu plāksnītes veidoja 64% no pasaules silīcija plāksnīšu sūtījumiem, bet 8-collu vafeles veidoja 26%.
▲Silīcija vafeļu sūtījuma attiecība pēc izmēra
No termināļa lietojumprogrammu viedokļa 12-collu vafeļu globālais patēriņš galvenokārt ir atmiņas mikroshēmas, un Nand Flash un DRAM atmiņa kopā veido aptuveni 75%, no kuriem Nand Flash patērē apmēram 33% plāksnīšu, un Nand zibatmiņai pieder 35% no pakārtotā tirgus viedtālruņu tirgū. Var redzēt, ka viedtālruņu piegādes un jaudas pieaugums ir galvenais faktors, kas veicina 12-collu vafeļu piegādi. No 12-collu plāksnēm loģiskās mikroshēmas veido aptuveni 25%, DRAM veido aptuveni 22,2%, un citas mikroshēmas, piemēram, CIS, veido aptuveni 20%.
2. Ķīnas pusvadītāju silīcija vafeļu tirgū ir milzīga telpa
Ķīnas pusvadītāju materiālu tirgus ir nepārtraukti audzis. 2018. gadā pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms pasaulē sasniedza 51,94 miljardus ASV dolāru, kas ir par 10,7% vairāk nekā iepriekšējā gadā. Tostarp Ķīnas pārdošanas apjoms bija 8,44 miljardi ASV dolāru. Atšķirībā no pasaules tirgus, Ķīnas pusvadītāju materiālu pārdošanas apjomi ir pieauguši kopš 2010. gada, un trīs gadus pēc kārtas no 2016. līdz 2018. gadam ir pieaudzis vairāk nekā par 10%. Pasaules pusvadītāju materiālu tirgu lielā mērā ietekmē cikliskie faktori, īpaši Taivānā. , Ķīna un Dienvidkoreja, kur svārstības ir lielas. Ziemeļamerikas un Eiropas tirgi ir gandrīz nulles izaugsmes stāvoklī. Japānas pusvadītāju materiāli ilgu laiku ir bijuši negatīvas izaugsmes stāvoklī. Pasaules mērogā tikai kontinentālās Ķīnas pusvadītāju materiālu tirgus ir ilgtermiņa izaugsmes logā. Ķīnas pusvadītāju materiālu tirgus krasi kontrastē ar pasaules tirgu.
▲ Pasaules pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms un pieauguma temps (miljardos ASV dolāru)
▲ Ikgadējais pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms pa valstīm un reģioniem (vienība: miljards ASV dolāru)
Globālie pusvadītāju materiāli pakāpeniski pāriet uz Ķīnas kontinentālo tirgu. No dažādu valstu un reģionu pārdošanas daļas 2018. gadā trīs lielākās valstis vai reģioni veidoja 55%, un reģionālās koncentrācijas efekts ir acīmredzams. Tostarp Taivāna, Ķīna veido aptuveni 23% no pasaules vafeļu ražošanas jaudas, padarot to par reģionu ar lielāko ražošanas jaudu pasaulē. Tā pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms ir 11,4 miljardi ASV dolāru, kas veido 22% no pasaules, ieņemot pirmo vietu, un tas ir bijis pasaulē lielākais pusvadītāju materiālu patēriņa reģions deviņus gadus pēc kārtas. Dienvidkoreja veido aptuveni 20% no globālās plāksnīšu ražošanas jaudas, un pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms ir 8,72 miljardi ASV dolāru, kas veido 17%, ierindojoties otrajā vietā. Kontinentālā Ķīna veido aptuveni 13% no pasaules ražošanas jaudas, un pusvadītāju materiālu pārdošanas apjoms ir 8,44 miljardi ASV dolāru, kas veido aptuveni 16% no pasaules, ieņemot trešo vietu. Tomēr ilgtermiņā pusvadītāju materiālu tirgus daļa kontinentālajā Ķīnā katru gadu ir palielinājusies no 7,5 % 2007. gadā līdz 16,2 % 2018. gadā. Pasaules pusvadītāju materiāli pakāpeniski pāriet uz Ķīnas kontinentālo tirgu.
▲ Pārdošanas daļa pēc valsts un reģiona 2018. gadā
▲ Pusvadītāju materiālu pārdošana un daļa kontinentālajā Ķīnā (miljardos ASV dolāru)
Pasaules vafeļu ražošanas jauda nodrošinās strauju izaugsmi. 12-collu vafeļu fab, kas ir modernākā tehnoloģija mūsdienu vafeļu šķipsnās, sasniedza kulmināciju no 2017. līdz 2019. gadam, un katru gadu visā pasaulē tika pievienoti vidēji 8 12-collu vafeļu materiāli. Tiek lēsts, ka līdz 2023. gadam pasaulē būs 138 12-collu vafeles. Saskaņā ar IC Insight statistiku, Ķīnas un ASV tirdzniecības kara nenoteiktības dēļ 2019. gada pirmajā pusē lielākie vafeļu ražotāji visā pasaulē atlika savus jaudas palielināšanas plānus, taču tos neatcēla. Līdz ar Ķīnas un ASV tirdzniecības atveseļošanos 2019. gada otrajā pusē un 5G tirgus uzliesmojumu, globālā plāksnīšu ražošanas jauda 2019. gadā joprojām saglabāja pieaugumu par 7,2 miljoniem vienību. Tomēr līdz ar 5G tirgus nomaiņas vilni globālā plāksnīšu ražošanas jauda no 2020. gada līdz 2022. gadam izraisīs pieauguma maksimumu, trīs gadu laikā palielinoties attiecīgi par 17,9 miljoniem vienību, 20,8 miljoniem vienību un 14,4 miljoniem vienību, un 2021. gadā uzstādīs rekordaugstu līmeni. Šīs vafeļu jaudas būs Dienvidkorejā (Samsung, Hynix), Taivānā (TSMC) un kontinentālajā Ķīnā (Jangdzi upes krātuve, Changxin Storage, SMIC, Huahong Semiconductor u.c.). Kontinentālā Ķīna nodrošinās 50% no jaudas pieauguma.
▲ 12-collu vafeļu skaits visā pasaulē, 2002-2023
▲ Globālās ražošanas jaudas palielināšana (vienība: miljons vienību gadā, 8-collu ekvivalenta plāksne)
Vafeļu izstrādājumu būvniecība kontinentālajā Ķīnā ievadīs straujas izaugsmes periodu. Kopš 2016. gada kontinentālā Ķīna ir sākusi aktīvi investēt vafeļu šķiedru būvniecībā, un ir uzsākts rūpnīcu būvniecības vilnis. Saskaņā ar SEMI prognozēm, no 2017. līdz 2020. gadam pasaulē tiks uzbūvēti un nodoti ražošanā 62 vafeļu fabs, no kuriem 26 būs Ķīnā, kas veido 42% no kopējā apjoma. Būvniecības skaits 2018. gadā bija 13, kas veido 50% no paplašināšanās. Paplašināšanās rezultāts noteikti palielinās kapitālieguldījumus un izdevumus par vafeļu materiāliem. Saskaņā ar SEMI datiem, līdz 2020. gadam vafeļu plātņu uzstādītā jauda kontinentālajā Ķīnā sasniegs 4 miljonus 8-collu ekvivalentu vafeļu mēnesī, salīdzinot ar 2,3 miljoniem 2015. gadā, un ikgadējais salikšanas pieauguma temps ir 12%, kas ir daudz augstāks nekā citos reģionos. Tajā pašā laikā Nacionālais lielais fonds ir arī ieguldījis lielus ieguldījumus pusvadītāju ražošanas nozarē. Pirmajā Lielā fonda ieguldījumu fāzē apstrādes rūpniecība veidoja pat 67%, kas ir daudz augstāka nekā dizaina nozare un iepakojuma un testēšanas nozare.
▲2010-2020 Ķīnas pusvadītāju plāksnīšu investīcijas (vienība: 100 miljoni ASV dolāru)
▲ Nacionālā lielā fonda pirmā posma investīciju attiecība
2019. gada beigās Ķīnā joprojām tiek būvēti vai plānoti 9 8-collu vafeļu un 10 12-collu vafeļu materiāli. Turklāt, tā kā lielākā daļa Ķīnas 12-collu vafeļu materiālu pašlaik ir izmēģinājuma ražošanā vai nelielās sērijās, tie ir ražošanas jaudas zemākajā līmenī. Pēc produktu pārbaudes saņemšanas no klientiem un tirgus pārbaudes ražošanas jauda nonāks palielināšanas fāzē, un būs milzīgs pieprasījums pēc iepriekšējā posma izejvielām.
▲ Jauni vafeļu izstrādājumi Ķīnā
5G popularitāte ir izraisījusi termināļu silīcija satura pieaugumu: no viedtālruņu ēras, sākot ar iPhone 3, līdz 4G mobilajiem tālruņiem, ko pārstāv iPhone 5, un beidzot ar pašreizējo 5G mobilo tālruņu laikmetu. Silīcija saturs mobilajos tālruņos turpina pieaugt. Saskaņā ar mobilo tālruņu materiālu izmaksu analīzi, ko veica demontāžas organizācijas, piemēram, tech insights un iFixit, mobilo tālruņu galveno mikroshēmu, piemēram, mobilo tālruņu procesoru (AP), bāzes joslas apstrādes mikroshēmu (BP), atmiņas (Nand zibspuldzes) vienības vērtība. , DRAM), kameru moduļi (CIS), radiofrekvenču mikroshēmas (RF), jaudas pārvaldības mikroshēmas (PMIC), Bluetooth/wifi mikroshēmas utt., ir uzrādījušas pakāpenisku pieaugumu, un ir palielinājusies vienības kopējās vērtības daļa. gadu no gada. Lai gan iPhone X posmā čipu īpatsvars samazinājies, mainoties ekrānam, ar sekojošu nepārtrauktu optimizāciju, gadu no gada pieaug arī čipu izmaksu īpatsvars. Līdz iPhone 11 pro max laikmetam, 4G mobilo tālruņu maksimumam, galveno mikroshēmu īpatsvars ir sasniedzis 55%, un vienas vienības vērtība ir aptuveni 272 ASV dolāri. Evolūcijā no iPhone 3 uz iPhone 11 Pro Max mobilā tālruņa kamera ir mainījusies no viena kadra uz 3 kadriem, ķermeņa atmiņa ir palielinājusies no 8 GB līdz 512 GB, silīcija satura īpatsvars vienībā ir palielinājies no 37% līdz 55%. , un vienības vērtība ir palielinājusies no 68 USD līdz 272 ASV dolāriem.
2020. gads ir pirmais 5G mobilo tālruņu masveida ražošanas gads. Saskaņā ar izlaisto mobilo tālruņu Samsung S20 un Xiaomi 10 demontāžas analīzi galveno mikroshēmu vērtība un proporcija uz vienību ir vēl vairāk palielinājusies salīdzinājumā ar 4G mobilajiem tālruņiem. Samsung galvenās mikroshēmas veido 63,4% no kopējām materiālu izmaksām, un vienības vērtība ir sasniegusi 335 ASV dolārus, kas ir par 23% vairāk nekā iPhone 11 Pro Max. Uzņēmumam Xiaomi galveno mikroshēmu īpatsvars ir vēl lielāks, sasniedzot 68,3%, un arī galvenās mikroshēmas vienības vērtība ir sasniegusi 300 ASV dolārus. Saskaņā ar Samsung S20 un Xiaomi 10 demontāžu tiek lēsts, ka sākotnējo 5G mobilo tālruņu galvenās mikroshēmas veidos aptuveni 65%–70%, un vienas ierīces vērtība būs aptuveni USD {18} }.
▲ BOM izmaksu sadalījums parastajiem viedtālruņiem
▲ Galveno mikroshēmu izmaksu attiecība dažādos mobilajos tālruņos
Plātņu izgatavošana palielina pieprasījumu pēc silīcija plāksnēm: vafeļu plātņu jaudas paplašināšana neizbēgami izraisīs pieprasījuma pieaugumu pēc silīcija plāksnēm. Pašlaik Ķīna ir ieguldījusi lielus ieguldījumus vafeļu ražošanā, veidojot atmiņas nozari, kurā dominē Yangtze Memory Technologies un Hefei Changxin, loģisko mikroshēmu nozari, kurā dominē SMIC, specializētu procesu ražošanas līniju, kurā dominē Huahong Semiconductor un Jetta Semiconductor, un barošanas ierīču lietuvi. dominēja China Resources Microelectronics un Silan Microelectronics. Pašlaik silīcija vafeļu pārdošanas pieauguma temps kontinentālajā Ķīnā 2017./2018. gadā ir lielāks par 40%. Un, gūstot labumu no lielu fondu ieguldījumu un vietējās aizstāšanas tendences, pakārtotie vafeļu izstrādājumi ir pilnībā paplašinājuši savu ražošanas jaudu, palielinot pieprasījumu pēc silīcija plāksnēm. Saskaņā ar SUMCO prognozēm 2020. gadā pieprasījums pēc 8-collu silīcija plāksnēm kontinentālajā Ķīnā būs aptuveni 970,000 gabali, bet 12-collu plāksnīšu apjoms sasniegs 1,05 miljonus vienību.
▲ Ķīnas silīcija plāksnīšu pārdošanas apjoms un pieauguma temps (vienība: miljards ASV dolāru)
▲ Izmaiņas silīcija plāksnīšu pieprasījumā kontinentālajā Ķīnā (vienība: 10,000 gab./mēnesī)
Cenu paaugstināšanas cikls + uzlabots process veicina "cenas" pieaugumu: Saskaņā ar vēsturisko silīcija vafeļu cenas aprēķinu, pašlaik tas ir jaunas cenu pieauguma cikla kārtas sākumā. No 2009. līdz 2011. gadam viedtālruņi ātri kļuva populāri, mobilo tālruņu silīcija saturs palielinājās, un silīcija cena par laukuma vienību turpināja pieaugt, 2011. gadā sasniedzot USD 1,09 par kvadrātcollu. Vēlāk , palielinoties silīcija plāksnīšu krājumam un samazinoties viedtālruņu pārdošanas apjomiem, silīcija plāksnīšu cena uz laukuma vienību turpināja kristies un sasniedza zemāko punktu 2016. gadā – USD 0,67/kvadrātcollā. 2016. gadā Google "AlphaGo" uzvarēja Lī Sedolu, ļaujot mākslīgajam intelektam iekļūt vēstures posmā. Globālais pieprasījums pēc silīcija plāksnēm palielinājās, ieejot jaunā cenu pieauguma cikla kārtā. Līdz ar 5G mobilo tālruņu izlaišanu 2019. gadā silīcija plāksnīšu cena par laukuma vienību sasniedza 0,94 USD. Tā kā 2020. gadā plašā mērogā tiks izlaisti 5G mobilie tālruņi, kas veicinās globālo pieprasījumu pēc silīcija plāksnēm, ir sagaidāms, ka nākotnē būs 2-3 gadus cenu pieauguma.
Uzlaboti procesi paaugstina cenas; pusvadītāju silīcija vafeles ir mikroshēmu ražošanas pamatmateriāls, un jebkuras kvalitātes svārstības nopietni ietekmēs mikroshēmas. Nepārtraukti attīstot progresīvus procesus, pusvadītāju silīcija plāksnīšu piemaisījumu prasības kļūst arvien augstākas. Augstākas prasības padara silīcija vafeļu ražošanas procesu arvien grūtāku, tāpēc cena kļūst arvien augstāka. Piemēram, vienai un tai pašai 12-collu silīcija plāksnītei 7 nm tehnoloģisko silīcija plātņu cena ir 4,5 reizes augstāka par 90 nm silīcija plāksnīšu cenu. Pašlaik kontinentālajā Ķīnā vafeles galvenokārt tiek izgatavotas ar 12-collu plāksnēm, un silīcija plātņu cena ir daudz augstāka nekā 8-collu plātņu cena. Tajā pašā laikā loģisko mikroshēmu lietuves, kuras pārstāv SMIC un Huahong Semiconductor, ir pakāpeniski pārcēlušas procesu no 28 nm uz 16/14 nm procesu, kas ir palielinājis silīcija plātņu kopējo cenu.
Kopš 12-collu ražošanas līnijas pirmoreiz atvēršanas pasaulē 2000. gadā, pieprasījums tirgū ir ievērojami pieaudzis. 2008. gadā sūtījumu apjoms pirmo reizi pārsniedza 8-collu silīcija plāksnītes, un 2009. gadā tas pārsniedza cita izmēra silīcija plātņu sūtījumu platības summu. No 2016. gada līdz 2018. gadam, pateicoties plaukstošai attīstībai jaunajos tirgos, piemēram, AI, mākoņdatošanas un blokķēdes, 12-collu silīcija plātņu saliktais gada pieauguma temps bija 8%. Nākotnē 12-collu silīcija plātņu tirgus daļa turpinās palielināties. Saskaņā ar SUMCO datiem globālajā 12-collu silīcija plātņu piedāvājumā un pieprasījumā nākamajos 3-5 gados joprojām būs plaisa, un šī atšķirība kļūs arvien lielāka, pusvadītāju uzplaukuma rezultātā. cikls palielinās. Līdz 2022. gadam starpība būs 1000 000 mēnesī. Tā kā Ķīna ir jauna pusvadītāju ražošanas bāze pasaulē, Ķīnas milzīgā silīcija plāksnīte veicinās silīcija plāksnīšu lokalizācijas ātrumu.
Saskaņā ar SUMCO statistiku, silīcija plātņu pārdošanas apjoms kontinentālajā Ķīnā 2018. gadā bija aptuveni 930 miljoni ASV dolāru, kas ir par 45% vairāk nekā iepriekšējā gadā, padarot to par visstraujāk augošo silīcija plāksnīšu tirgu pasaulē. Gūstiet labumu no tādu lielo vafeļu ražotņu paplašināšanas plāniem kā Yangtze Memory, SMIC un Changxin Storage šeit: 2020-2022. Tiek lēsts, ka līdz 2022. gada beigām pieprasījums pēc līdzvērtīgām 12-collu silīcija plāksnēm kontinentālajā Ķīnā sasniegs 2,01 miljonu mēnesī, un tirgus platība būs 20 miljardi juaņu.
Sibranch uzskata, ka manas valsts pusvadītāju nozares trešās nodošanas saņēmēja pusvadītāju pārdošanas daļa pasaules tirgū turpina pieaugt. Turklāt mana valsts ir pasaulē lielākā plaša patēriņa elektronikas produktu ražotāja, eksportētāja un patērētāja, un tai ir liels pieprasījums pēc pusvadītāju izstrādājumiem. Tāpēc lokalizācijas līmenim būs liela ietekme uz rūpniecisko drošību. Manā valstī, kas ir lielākā un visvienkāršākā šķirne vafeļu ražošanas materiālu tirgū, ir trūkumi silīcija plātņu jomā, un tas ir vairāk pamanāms lielajās silīcija plāksnēs. Tomēr ar valsts politikas un fondu atbalstu daudzi Ķīnas uzņēmumi ir plānojuši ražošanas līnijas un izkārtojuši lielas pusvadītāju silīcija plāksnes.
