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高科技之半导体硅片

发表时间:2019/1/17 14:15:56

      概念

  硅片(又称晶圆、wafer)是光伏、半导体行业广泛使用的基础材料。其中,适用于集成电路行业的是半导体级的硅片

  半导体硅片对产品质量及一致性要求极高,其纯度须达99.9999999%(9个9)以上,而最先进的工艺甚至需要做到99.999999999%(11个9)。而光伏级单晶硅片仅需5个9即可满足应用需求。所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏级硅片

  在半导体上游材料市场中,硅片成本占比最高,同时市场规模保持高速增长。2017年硅片市场规模达86.8亿美元(32%市场占比),远高于气体和光掩膜市场规模;在2015-2017期间,硅片市场规模CAGR约为4.61%,高于同期半导体整体市场增长速度

  分类用途

  1.按尺寸分:

  50mm(2寸)、100mm(4寸)、125mm(5寸)、150mm(6寸)、200mm(8寸)、300mm(12寸)、450mm

  300mm硅棒大约1m长,并需要在坩埚中融化150kg—300kg的半导体级硅。

  硅片直径的增加可以摊薄生产成本。300mm硅片比200mm硅片面积提升2.25倍,一个硅片上可以生产更多硅片,每个芯片平均加工时间减少,设备利用率提升;而且更大尺寸的硅片使得边缘芯片减少,提升成品率。

 

  2.按拉晶工艺分:

  CZ直拉法,占85%,一般用于CMOS、Memory等大部分工艺器件

  FZ区熔法,一般用于RF、IGBT等

  3、按使用用途分:

  抛光片PolishWafer

  外延片EpitaxialWafer:外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底晶片通常被称为外延片。通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶,与最下面的衬底结晶面整齐排列进行生长。外延硅晶片广泛使用在二极管,IGBT功率器件,低功耗数字与模拟集成电路及移动计算通讯芯片等。

  退火片ArgonAnneal:抛光片用氢气或氩气通过加热处理后,更进一步提高表面的结晶品质。广泛用在功率器件,数字与模拟集成电路及存储器等芯片。

  绝缘体上硅(SOI)Silicon-On-InsulatorWafer:是一种三明治结构,最上面是顶层硅,中间是掩埋氧化层(BOX),下方是硅衬底。制备SOI材料的技术主要有注氧隔离(SIMOX)、键合减薄(BESOI)和智能剥离(Smart-Cut)等,当前最主流的技术是智能剥离。SOI的优势在于可以通过氧化层实现高电绝缘性,这将大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。在28nm以下先进制程中,FD-SOI(全耗尽SOI)具有明显的低功耗,防辐射,耐高温的性能优势,同时采用SOI方案可以大大减少工序,降低成本。

  测试片Test Wafer:mechnical wafer、particle wafer、control wafer、superflat wafer、special wafer(如oxide/nitridewafer)等。主要用于实验及检查等用途。在制造设备投入使用初期,也被大量使用以提高设备稳定性。由于使用目的不同于通常使用的晶圆片产品,因此TestWafer中再生晶片被普遍使用。

  控片Monitor Wafer:主要用于在正式的集成电路制造之前对于各道制程实施必要的调整。除此之外也可用于监测,与晶圆产品一同在各工程流动。

  挡片Dummy Wafer:又称假片,调试级硅片主要用于半导体设备和工艺调试,达到一定的工艺要求。

  其中挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差处所切割出来,用于调试机台、监控良率。随着晶圆厂制程的推进,基于精度要求及良率的考量,需要在生产过程中增加监控频率。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。挡控片的用量巨大,为了避免浪费,晶圆厂往往会回收用过的挡片,经研磨抛光,重复使用,但挡片的循环次数有限,一旦超过门限值,则只能报废处理或当做光伏硅片使用。而控片则需具体情况具体对待,用在某些特殊制程的控片无法回收使用,那些可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片(reclaimedwafer)。

  市场格局

  全球:

  在全球半导体材料产业链,国外巨头占据了主要的市场份额。前五大厂商分别为日本信越半导体(份额27%)、日本胜高科技(26%)、台湾环球晶圆(17%)、德国Silitronic(11%)、韩国LG(7%),市场占有率达到92%。其中,仅两家日本企业所占的全球市场份额就超过50%。在12寸硅片市场中,前五大厂商更占据将近98%的市场份额。


  国内:

  目前我国12英寸硅片主要依赖进口,(曾有段时间据传SMIC中芯国际的12寸线的wafer缺货,日本厂商优先供应别家);8英寸硅片的自给率也不高,目前在10%左右。

  根据芯思想统计,截止2017年11月,我国12寸硅片需求量为45万片(包括三星西安、SK海力士无锡、英特尔大连、联芯厦门),随着晶合集成、台积电南京和格芯成都的陆续投产,加上紫光南京、长鑫合肥、晋华集成三大存储芯片厂的建成,预估到2020年我国12寸硅片月需求量为80-100万片。抛开外资晶圆厂(三星西安、SK海力士无锡、英特尔大连、联芯厦门、台积电南京、格芯成都)的产能,国内的月需求量约为40-50万片。

  目前我国12英寸硅片主要依赖进口,但规划中的月产能已经达到120万片,后续如均能顺利量产,可基本满足国内需求。(前提是能量产、满产)

  8寸硅片方面,据芯思想统计,截止至2016年底,我国具备8英寸硅片和外延片生产能力的公司合计月产能为23.3万片/月,实际产能利用率不足50%,2016年全年我国仅仅产出120万片8寸硅片,只满足国内的10%的需求。从目前已经公布的产能来看,8寸硅片月产能已经达到140万片,合计超过160万片,远远超过我国8寸硅晶圆的月需求80万片的规模。

  而SOI硅片则由于它的特殊性,所以其供应商和主流的硅片厂商不同。目前国际上最大的SOI供应商为法国Soitec,上海硅产业投资有限公司已收购其14.5%股份。其他供应商为日本信越,Sumco等。而国内的供应商主要为上海新傲,也是上海硅产业集团的子公司。

  产能方面,目前Soitec位于法国Bernin2工厂以及新加坡PasirRis工厂主要生产300mm晶圆,未来最大产能将达200万片,而Bernin1和新傲科技的200mm晶圆厂最大产能将达100万片。

  上海新昇(上海新阳(300236.SZ)参股24.36%)的大硅片项目目前已经实现了挡片的批量供货,正片也有小批量样片实现销售,目前产能4-5万片/月,预计2018年产能可达10万片/月;

  中环股份(002129.SZ)于2017年10月13日和无锡市签署《战略合作协议》,共同在宜兴市建设集成电路用大硅片生产与制造项目。项目总投资约30亿美元,一期投资约15亿美元;

  重庆超硅的12寸硅片开发进展也较为顺利。同时硅产业集团旗下的上海新傲的SOI产线是中国硅片产业的一大亮点

  供需结构

  12寸

  2017年-2022年,12寸硅片需求的复合增长率为4.3%。其中3D NAND对硅片需求的复合增长率为16.76%,成为未来3年里12寸硅片需求增长的主要驱动力。

  当前前五大厂商各家硅片厂均相对保守,更倾向于控制产能扩张,推动涨价,抬升利润水平。

  8寸

  汽车电子主导8寸硅片需求,晶圆厂通过涨价转移成本压力。

  2016年起,8寸线的驱动力主要在指纹识别,进入2018年,随着汽车电子,IOT等应用的兴起,8寸线的供需关系依旧偏紧

  从最直接的,硅片的直接客户就是芯片代工厂,除了现有需求,国内新增的代工厂产能如下,这些都是新增的需求:

  据估计,目前全球8寸与12寸半导体硅晶圆每月出货量大约各在520万片至530万片之间,但每月的潜在需求量可能达600万片以上。供需差的原因(来自海通证券):

  1)全球晶圆代工大厂台积电、三星电子、英特尔进入高端制程工艺竞赛,20nm以下的先进工艺将在整个晶圆代工中的比例越来越高,先进的工艺对高质量大硅片的需求越来越大;

  2)三星、SK海力士、英特尔/美光、东芝等全力投入3DNAND扩产,3DNAND的投资热潮将刺激300mm大硅片的需求;

  3)尽管智能手机的增速放缓,但是手机创新不断,对高端300mm硅片需求仍将快速增长。同时工业与汽车半导体、CIS、物联网等IC晶片开始快速增长,这为8寸和12寸硅片带来新的增量;

  4)大陆半导体厂商大举扩产,更是不可轻忽的势力,2016至2017年间,全球确定新建的晶圆厂19座,其中中国大陆就占了10座。

  8/12寸市场补充:

  12寸市场:

  除了供需原因导致的12寸硅片市场紧缺以为,12寸硅片市场被看重的原因还有:

  芯片的成本与硅片面积有直接关系,在面积大的硅片上,一次能够蚀刻出更多的芯片,并且芯片撞上硅片缺陷的概率变低,提高芯片的良品率。因此,半导体产业一直在追求面积更大的芯片。

  根据计算公式:每个硅片生产的芯片数=(硅片的面积/芯片的面积)-(硅片的周长/(2*芯片面积)的开方数),12寸硅片一次能制造的芯片数约为8寸硅片的2.5倍。

  根据SEMI,各尺寸硅片成为主流尺寸的时间点分别为:1986年4英寸,1992年6英寸,1997年8英寸,2005年12英寸。目前,12寸硅片已成为业界主流,占所有硅片需求的60%以上,而6/8寸硅片的需求比例被进一步压缩。

  由于制造设备更换和良品率等问题,18寸硅片的研制虽然已投入数年,但成本高、回报低的问题一直没有得到很好的解决,陷入停滞,预计未来数年12寸硅片仍将是市场主流。

  大

  8寸市场:

  12寸硅片尽管有种种优点,但是其需要大批量的生产才能降低其芯片的单体成本。但是8寸晶圆制造厂相对于12寸厂:(1)拥有特种晶圆工艺;(2)完全或大部分折旧的固定资产的固定成本较低;(3)光罩及设计服务的相应成本较低;(4)达到成本效益生产量要求较低,等方面的优势。同时,2010~2016年约有25座6寸晶圆厂关闭,相应6寸晶圆产能会转移至8寸线晶圆厂。因此8寸晶圆和12寸晶圆能够实现优势互补、长期共存。

  产能缺口

 

  投资小结

  1、硅片生产企业:就看谁的硅片质量能达标能尽快量产尽快跟上产能,享受当下硅片剪刀差的红利,内资企业里优先的上海新昇、中环股份、重庆超硅概率大。唯一需要担心的就是国内外企业产能都开出来之后,供需结构如果逆转,那就比较尴尬了。不过当下,远的不说,近一两年内,谁先量产谁先受益。

  2、硅片设备企业:设备这块没在本文里写,以前的文章里提了很多。硅片生产企业里的投资,6成要投入设备,国内能提供设备的屈指可数,值得重点关注,就希望国内企业能善待国内设备企业,共同成长。

  注:文章数据表格等等参考引用了申万宏源、招商证券、方正证券、海通证券等卖方报告并进行了整理,在此一并感谢。