Mendedahkan Secara Mendalam Rahsia Industri Wafer Silikon: Potensi Besar Menjadikannya Raja Bahan Semikonduktor

Wafer silikon adalah asas bahan semikonduktor. Mereka mula-mula dibuat menjadi rod silikon dengan menarik kristal tunggal, dan kemudian dipotong dan dibuat. Oleh kerana bilangan elektron valens atom silikon ialah 4 dan nombor ordinal adalah sederhana, silikon mempunyai sifat fizikal dan kimia khas dan boleh digunakan dalam bidang kimia, fotovoltaik, cip dan lain-lain. Terutamanya dalam bidang cip, sifat semikonduktor silikon yang menjadikannya asas kepada cip. Dalam bidang fotovoltaik, ia boleh digunakan untuk penjanaan tenaga solar. Selain itu, silikon menyumbang 25.8% daripada kerak bumi. Ia agak mudah untuk dilombong dan mempunyai kebolehkitar semula yang kuat, jadi harganya rendah, yang meningkatkan lagi julat aplikasi silikon.

1. Silikon - asas bahan cip Bahan silikon dibahagikan kepada silikon kristal tunggal dan silikon polihablur mengikut susunan sel unit yang berbeza. Perbezaan terbesar antara silikon kristal tunggal dan silikon polihablur ialah susunan sel unit bagi silikon kristal tunggal adalah teratur, manakala silikon polihablur tidak teratur. Dari segi kaedah pembuatan, silikon polihabluran biasanya dibuat dengan menuang terus bahan silikon ke dalam mangkuk pijar untuk mencairkannya dan kemudian menyejukkannya. Silikon monokristalin dibentuk menjadi batang kristal dengan menarik kristal tunggal (kaedah Czochralski). Dari segi sifat fizikal, ciri-ciri kedua-dua jenis silikon adalah agak berbeza. Silikon monokristalin mempunyai kekonduksian elektrik yang kuat dan kecekapan penukaran fotoelektrik yang tinggi. Kecekapan penukaran fotoelektrik silikon monohablur biasanya sekitar 17% hingga 25%, manakala kecekapan silikon polihabluran adalah di bawah 15%.

▲Wafer silikon semikonduktor dan wafer silikon fotovoltaik

▲Struktur sel unit silikon kristal tunggal

Wafer silikon fotovoltaik:Disebabkan oleh kesan fotoelektrik dan kelebihan jelas silikon monohabluran, orang ramai menggunakan wafer silikon untuk melengkapkan penukaran tenaga suria kepada tenaga elektrik. Dalam medan fotovoltaik, sel silikon monohablur persegi dengan sudut bulat biasanya digunakan. Wafer silikon polihabluran yang lebih murah juga digunakan, tetapi kecekapan penukaran lebih rendah.

▲Depan dan belakang sel silikon monohabluran

▲Polycrystalline silicon cell depan dan belakang

Oleh kerana wafer silikon fotovoltaik mempunyai keperluan yang rendah untuk parameter seperti ketulenan dan lenturan, proses pembuatan adalah agak mudah. Mengambil sel silikon monohablur sebagai contoh, langkah pertama ialah memotong dan membulat. Mula-mula, potong rod silikon monohablur menjadi rod segi empat sama mengikut keperluan saiz, dan kemudian bulatkan empat sudut rod segi empat sama. Langkah kedua ialah penjerukan, yang terutamanya untuk menghilangkan kekotoran permukaan rod persegi monohablur. Langkah ketiga ialah menghiris. Mula-mula, tampalkan batang persegi yang telah dibersihkan pada papan kerja. Kemudian letakkan papan kerja pada penghiris dan potong mengikut parameter proses yang ditetapkan. Akhir sekali, bersihkan wafer silikon monohablur dan pantau kelicinan permukaan, kerintangan dan parameter lain.

Wafer silikon semikonduktor:Wafer silikon semikonduktor mempunyai keperluan yang lebih tinggi daripada wafer silikon fotovoltaik. Pertama, semua wafer silikon yang digunakan dalam industri semikonduktor adalah silikon monohabluran, untuk memastikan sifat elektrik yang sama bagi setiap kedudukan wafer silikon. Dari segi bentuk dan saiz, wafer silikon monohablur fotovoltaik adalah segi empat sama, terutamanya dengan panjang sisi 125mm, 150mm, dan 156mm. Wafer silikon monohablur yang digunakan untuk semikonduktor adalah bulat, dengan diameter 150mm (6-wafer inci), 200mm (8-wafer inci) dan 300mm (12-wafer inci). Dari segi ketulenan, keperluan ketulenan untuk wafer silikon monohablur yang digunakan untuk fotovoltaik adalah antara 4N-6N (99.99%-99.9999%), tetapi keperluan ketulenan untuk wafer silikon monohablur yang digunakan untuk semikonduktor adalah sekitar 9N (99.9999999%)-11N (99.999999999%), dan keperluan ketulenan minimum ialah 1000 kali ganda daripada wafer silikon monohablur yang digunakan untuk fotovoltaik. Dari segi rupa, kerataan permukaan, kelicinan dan kebersihan wafer silikon yang digunakan untuk semikonduktor adalah lebih tinggi daripada wafer silikon yang digunakan untuk fotovoltaik. Ketulenan ialah perbezaan terbesar antara wafer silikon monohablur yang digunakan untuk fotovoltaik dan wafer silikon monohablur yang digunakan untuk semikonduktor.

▲Proses pembuatan wafer silikon semikonduktor

Perkembangan Hukum Moore ialah pembangunan wafer silikon. Oleh kerana wafer silikon semikonduktor adalah bulat, wafer silikon semikonduktor juga dipanggil "wafer silikon" atau "wafer". Wafer ialah "substrat" ​​untuk pembuatan cip, dan semua cip dihasilkan pada "substrat" ​​ini. Dalam sejarah pembangunan wafer silikon semikonduktor, terdapat dua arah utama: saiz dan struktur.

Dari segi saiz, laluan pembangunan wafer silikon semakin besar dan lebih besar: pada peringkat awal pembangunan litar bersepadu, 0.75-wafer inci telah digunakan. Menambahkan kawasan wafer dan bilangan cip pada satu wafer boleh mengurangkan kos. Sekitar tahun 1965, dengan pengenalan Undang-undang Moore, kedua-dua teknologi litar bersepadu dan wafer silikon memulakan tempoh pembangunan pesat. Wafer silikon telah melalui nod 4-inci, 6-inci, 8-inci dan 12-inci. Sejak Intel dan IBM bersama-sama membangunkan 12-pembuatan cip wafer inci pada tahun 2001, wafer silikon arus perdana semasa ialah 12-wafer inci, menyumbang kira-kira 70%, tetapi wafer 18-inci (450mm) mempunyai telah diletakkan dalam agenda.

▲Parameter saiz wafer berbeza

▲Perkembangan saiz wafer silikon

Dari segi struktur, arah pembangunan wafer silikon menjadi semakin kompleks: pada peringkat awal pembangunan litar bersepadu, hanya terdapat satu jenis cip logik, tetapi dengan peningkatan bilangan senario aplikasi, cip logik, peranti kuasa , cip analog, cip analog dan digital bercampur, cip storan denyar/DRAM, cip frekuensi radio, dsb. telah muncul satu demi satu, menjadikan wafer silikon mempunyai bentuk struktur yang berbeza. Kini, terdapat terutamanya tiga jenis:

PW (Wafer Poland):wafer yang digilap. Wafer silikon dipotong terus selepas menarik kristal tunggal tidak sempurna dalam kelicinan atau meledingkan, jadi mereka mesti digilap terlebih dahulu. Kaedah ini juga merupakan cara paling primitif untuk memproses wafer silikon.

AW (Wafer Anneal):wafer beranil. Dengan perkembangan berterusan teknologi proses dan pengurangan berterusan saiz ciri transistor, kekurangan wafer yang digilap secara beransur-ansur terdedah, seperti kecacatan kekisi tempatan pada permukaan wafer silikon dan kandungan oksigen yang tinggi pada permukaan wafer silikon. Untuk menyelesaikan masalah ini, teknologi wafer penyepuhlindapan telah dibangunkan. Selepas menggilap, wafer silikon diletakkan di dalam tiub relau yang diisi dengan gas lengai (biasanya argon) untuk penyepuhlindapan suhu tinggi. Ini bukan sahaja boleh membaiki kecacatan kekisi pada permukaan wafer silikon, tetapi juga mengurangkan kandungan oksigen permukaan.

EW (Epitaxy Wafer):wafer silikon epitaxial. Dengan peningkatan senario aplikasi litar bersepadu, wafer silikon standard yang dikeluarkan oleh kilang wafer silikon tidak lagi dapat memenuhi keperluan sesetengah produk dari segi sifat elektrik. Pada masa yang sama, kecacatan kekisi yang dikurangkan oleh penyepuhlindapan haba tidak dapat memenuhi keperluan lebar talian yang semakin kecil. Ini telah membawa kepada kemunculan wafer silikon epitaxial. Lapisan epitaxial biasa ialah filem nipis silikon. Lapisan filem nipis silikon ditanam berdasarkan wafer silikon asal menggunakan teknologi pemendapan filem nipis. Oleh kerana substrat silikon wujud sebagai kristal benih dalam epitaksi silikon, pertumbuhan lapisan epitaxial akan meniru struktur kristal wafer silikon. Oleh kerana wafer silikon substrat adalah kristal tunggal, lapisan epitaxial juga merupakan kristal tunggal. Walau bagaimanapun, kerana ia tidak digilap, kecacatan kekisi pada permukaan wafer silikon selepas pertumbuhan boleh dikurangkan ke tahap yang sangat rendah.

Penunjuk teknikal epitaksi terutamanya termasuk ketebalan lapisan epitaxial dan keseragamannya, keseragaman kerintangan, kawalan logam badan, kawalan zarah, kerosakan susunan, kehelan dan kawalan kecacatan lain. Pada peringkat ini, orang ramai telah mencapai kualiti wafer silikon epitaksi yang tinggi dengan mengoptimumkan suhu tindak balas epitaksi, kadar aliran gas epitaksi, dan kecerunan suhu tengah dan tepi. Disebabkan oleh produk yang berbeza dan keperluan untuk peningkatan teknologi, proses epitaxial telah dioptimumkan secara berterusan untuk mencapai kualiti wafer silikon epitaxial yang tinggi.

Di samping itu, teknologi semasa boleh menjana lapisan epitaxial dengan elemen doping kerintangan dan kepekatan doping berbeza daripada wafer silikon asal, yang memudahkan untuk mengawal sifat elektrik wafer silikon yang ditanam. Sebagai contoh, lapisan lapisan epitaxial silikon jenis-N boleh dihasilkan pada wafer silikon jenis-P, dengan itu membentuk simpang PN terdop berkepekatan rendah, yang boleh mengoptimumkan voltan pecahan dan mengurangkan kesan selak dalam pembuatan cip berikutnya. Ketebalan lapisan epitaxial umumnya berbeza mengikut senario penggunaan. Secara amnya, ketebalan cip logik adalah kira-kira 0.5 mikron hingga 5 mikron, dan ketebalan peranti kuasa adalah kira-kira 50 mikron hingga 100 mikron kerana ia perlu menahan voltan tinggi.

▲Proses pertumbuhan wafer silikon epitaxial

▲Doping berbeza bagi wafer epitaxial

SW (Wafer SOI):SOI adalah singkatan dari Silicon-On-Insulator. Wafer silikon SOI sering digunakan dalam cip bahagian hadapan RF kerana kelebihannya seperti kemuatan parasit yang kecil, kesan saluran pendek yang kecil, ketumpatan warisan yang tinggi, kelajuan tinggi, penggunaan kuasa yang rendah, dan terutamanya bunyi substrat yang rendah.

▲Struktur MOS silikon biasa

▲ Struktur MOS wafer silikon SOI

Terdapat empat kaedah utama untuk mengeluarkan wafer silikon SOI:Teknologi SIMOX, Teknologi ikatan, teknologi ikatan Sim dan teknologi Smart-CutTM; prinsip wafer silikon SOI adalah agak mudah, dan matlamat teras adalah untuk menambah lapisan penebat (biasanya terutamanya silikon dioksida SiO2) di tengah substrat.

▲Empat teknologi untuk mengeluarkan wafer SOI

Dari perspektif parameter prestasi, teknologi Smart-CutTM ialah prestasi paling cemerlang dalam teknologi pembuatan wafer silikon SOI semasa. Prestasi teknologi Simbond tidak jauh berbeza dengan teknologi Smart-Cut, tetapi dari segi ketebalan silikon atas, wafer silikon SOI yang dihasilkan oleh teknologi Smart-Cut adalah lebih nipis, dan dari perspektif kos pengeluaran, Smart -Teknologi pemotongan boleh menggunakan semula wafer silikon. Untuk pengeluaran besar-besaran masa hadapan, teknologi Smart-Cut mempunyai lebih banyak kelebihan kos, jadi industri kini secara amnya mengiktiraf teknologi Smart-Cut sebagai hala tuju pembangunan masa depan wafer silikon SOI.

▲Perbandingan prestasi teknologi pembuatan wafer SOI yang berbeza

Teknologi SIMOX: SIMOX adalah singkatan kepada Separation by Implanted Oxygen. Atom oksigen disuntik ke dalam wafer, dan kemudian disepuhlindapkan pada suhu tinggi untuk bertindak balas dengan atom silikon di sekeliling untuk membentuk lapisan silikon dioksida. Kesukaran teknologi ini adalah untuk mengawal kedalaman dan ketebalan implantasi ion oksigen. Ia mempunyai keperluan yang tinggi untuk teknologi implantasi ion.

Teknologi ikatan: Teknologi ikatan juga dipanggil teknologi ikatan. Wafer silikon SOI yang dibuat melalui ikatan juga dipanggil SOI Berikat, atau singkatannya BSOI. Teknologi ikatan memerlukan dua wafer silikon biasa, satu daripadanya ditanam dengan lapisan oksida (SiO2), dan kemudian diikat dengan sumber silikon yang lain. Sambungannya ialah lapisan oksida. Akhirnya, ia dikisar dan digilap ke kedalaman lapisan yang tertimbus (SiO2) yang dikehendaki. Memandangkan teknologi ikatan lebih mudah daripada teknologi implantasi ion, kebanyakan wafer silikon SOI kini dibuat menggunakan teknologi ikatan.

▲Silikon-pada-penebat

▲Kaedah ikatan wafer untuk membentuk silikon pada penebat

Teknologi ikatan sim:teknologi ikatan suntikan oksigen. Teknologi sim-bon adalah gabungan teknologi SIMOX dan bon. Kelebihannya ialah ketebalan lapisan oksida yang tertimbus boleh dikawal dengan ketepatan yang tinggi. Langkah pertama ialah menyuntik ion oksigen ke dalam wafer silikon, kemudian annealing pada suhu tinggi untuk membentuk lapisan oksida, dan kemudian membentuk lapisan oksida SiO2 pada permukaan wafer silikon. Langkah kedua ialah mengikat wafer silikon kepada wafer lain. Kemudian anil pada suhu tinggi untuk membentuk antara muka ikatan yang sempurna. Langkah ketiga ialah proses penipisan. Penipisan dilakukan menggunakan teknologi CMP, tetapi tidak seperti teknologi ikatan, ikatan sim mempunyai lapisan henti kendiri, yang akan berhenti secara automatik apabila mengisar ke lapisan SiO2. Kemudian lapisan SiO2 dikeluarkan dengan mengetsa. Langkah terakhir ialah menggilap.

Teknologi pemotongan pintar:teknologi pengelupasan pintar. Teknologi pemotongan pintar adalah lanjutan daripada teknologi ikatan. Langkah pertama ialah mengoksidakan wafer dan menghasilkan ketebalan tetap SiO2 pada permukaan wafer. Langkah kedua ialah menggunakan teknologi implantasi ion untuk menyuntik ion hidrogen ke dalam kedalaman tetap wafer. Langkah ketiga ialah mengikat wafer lain kepada wafer teroksida. Langkah keempat ialah menggunakan teknologi penyepuhlindapan haba suhu rendah untuk membentuk buih dengan ion hidrogen, yang menyebabkan sebahagian daripada wafer silikon terkelupas. Kemudian teknologi penyepuhlindapan haba suhu tinggi digunakan untuk meningkatkan kekuatan ikatan. Langkah kelima ialah meratakan permukaan silikon. Teknologi ini diiktiraf di peringkat antarabangsa sebagai hala tuju pembangunan teknologi SOI. Ketebalan lapisan oksida yang tertimbus sepenuhnya ditentukan oleh kedalaman implantasi ion hidrogen, yang lebih tepat. Selain itu, wafer yang dikupas boleh digunakan semula, yang sangat mengurangkan kos.

▲Kaedah ikatan SIM untuk membentuk silikon-pada-penebat

▲Kaedah pemotongan pintar untuk membentuk silikon-pada-penebat

2. Teknologi pembuatan penghalang tinggi 1. Teknologi pembuatan

Bahan mentah wafer silikon adalah kuarza, yang biasanya dikenali sebagai pasir, yang boleh dilombong secara langsung di alam semula jadi. Proses pembuatan wafer boleh disiapkan dalam beberapa langkah: terutamanya penyahoksidaan dan penulenan, penapisan polysilicon, jongkong silikon kristal tunggal (rod silikon), rolling, pemotongan wafer, penggilap wafer, penyepuhlindapan, ujian, pembungkusan dan langkah-langkah lain.

▲CZ (Czochralski) proses pembuatan wafer semikonduktor

▲CZ Farad skema kristal tunggal

Penyahoksidaan dan penulenan:Langkah pertama dalam pembuatan wafer silikon adalah untuk menyahoksida dan membersihkan bijih kuarza. Proses utama termasuk pengasingan, pengasingan magnetik, pengapungan, penyahgasan suhu tinggi, dll. Kekotoran besi dan aluminium utama dalam bijih dikeluarkan.

Penapisan polysilicon:Selepas memperoleh SiO2 yang agak tulen, silikon kristal tunggal dihasilkan melalui tindak balas kimia. Tindak balas utama ialah SiO2+C→Si+CO. Selepas tindak balas selesai, CO menyejat secara langsung, jadi hanya kristal silikon yang tinggal. Pada masa ini, silikon adalah silikon polihabluran, dan ia adalah silikon mentah, mengandungi banyak kekotoran. Untuk menapis lebihan kekotoran, silikon mentah yang diperolehi mesti dijeruk. Asid yang biasa digunakan ialah asid hidroklorik (HCl), asid sulfurik (H2SO4), dan lain-lain. Kandungan silikon selepas direndam dalam asid biasanya melebihi 99.7%. Semasa proses penjerukan, walaupun besi, aluminium dan unsur-unsur lain juga dibubarkan dalam asid dan ditapis. Walau bagaimanapun, silikon juga bertindak balas dengan asid untuk menghasilkan SiHCl3 (triklorosilane) atau SiCl4 (silikon tetraklorida). Walau bagaimanapun, kedua-dua bahan berada dalam keadaan gas, jadi selepas penjerukan, kekotoran asal seperti besi dan aluminium telah dibubarkan dalam asid, tetapi silikon telah menjadi gas. Akhirnya, gas ketulenan tinggi SiHCl3 atau SiCl4 dikurangkan dengan hidrogen untuk mendapatkan silikon polihabluran ketulenan tinggi.

Kaedah CZ menghasilkan silikon kristal tunggal:wafer silikon digunakan terutamanya dalam logik dan cip memori, dengan bahagian pasaran kira-kira 95%; kaedah CZ berasal daripada lukisan filamen nipis Czochralski daripada logam cair pada tahun 1918, jadi ia juga dipanggil kaedah CZ. Ini adalah teknologi arus perdana untuk mengembangkan silikon kristal tunggal hari ini. Proses utama ialah meletakkan silikon polihablur dalam mangkuk pijar, memanaskannya untuk mencairkannya, dan kemudian mengapit kristal biji silikon kristal tunggal dan menggantungnya di atas mangkuk pijar. Apabila menariknya secara menegak, satu hujung dimasukkan ke dalam cair sehingga ia cair, dan kemudian ia perlahan-lahan diputar dan ditarik ke atas. Dengan cara ini, antara muka antara cecair dan pepejal akan secara beransur-ansur terpeluwap untuk membentuk satu kristal. Oleh kerana keseluruhan proses boleh dianggap sebagai proses mereplikasi kristal benih, kristal silikon yang dihasilkan adalah silikon kristal tunggal. Selain itu, doping wafer juga dilakukan dalam proses penarikan kristal tunggal, biasanya dalam doping fasa cecair dan doping fasa gas. Doping fasa cecair merujuk kepada penambahan unsur-unsur jenis P atau N ke dalam pijar. Semasa proses menarik kristal tunggal, unsur-unsur ini boleh terus ditarik ke dalam rod silikon.

▲CZ Faraday kaedah kristal tunggal

▲Rod silikon selepas menarik kristal tunggal

Diameter bergolek:Memandangkan sukar untuk mengawal diameter rod silikon kristal tunggal semasa proses menarik kristal tunggal, untuk mendapatkan rod silikon diameter standard, seperti 6 inci, 8 inci, 12 inci, dll. Selepas menarik kristal tunggal, diameter jongkong silikon akan digulung. Permukaan rod silikon selepas bergolek adalah licin dan ralat saiz lebih kecil.

Memotong chamfering:Selepas mendapat jongkong silikon, wafer dipotong. Jongkong silikon diletakkan pada mesin pemotong tetap dan dipotong mengikut program pemotongan yang ditetapkan. Oleh kerana ketebalan wafer silikon adalah kecil, tepi wafer silikon yang dipotong adalah sangat tajam. Tujuan chamfering adalah untuk membentuk tepi licin. Wafer silikon chamfered mempunyai tekanan tengah yang lebih rendah, yang menjadikannya lebih pepejal dan tidak mudah pecah dalam pembuatan cip masa depan.

Menggilap:Tujuan utama penggilap adalah untuk menjadikan permukaan wafer lebih licin, rata dan bebas kerosakan, dan untuk memastikan konsistensi ketebalan setiap wafer.

Pembungkusan ujian:Selepas memperoleh wafer silikon yang digilap, sifat elektrik wafer silikon perlu diuji, seperti kerintangan dan parameter lain. Kebanyakan kilang wafer silikon mempunyai perkhidmatan wafer epitaxial. Jika wafer epitaxial diperlukan, pertumbuhan wafer epitaxial akan dijalankan. Jika wafer epitaxial tidak diperlukan, ia akan dibungkus dan dihantar ke kilang wafer epitaxial atau kilang wafer lain.

Kaedah lebur zon (FZ):Wafer silikon yang dibuat dengan kaedah ini digunakan terutamanya dalam beberapa cip kuasa, dengan bahagian pasaran kira-kira 4%; wafer silikon yang dibuat oleh FZ (kaedah lebur zon) digunakan terutamanya sebagai peranti kuasa. Dan saiz wafer silikon adalah terutamanya 8 inci dan 6 inci. Pada masa ini, kira-kira 15% wafer silikon dibuat dengan kaedah lebur zon. Berbanding dengan wafer silikon yang dibuat dengan kaedah CZ, ciri terbesar kaedah FZ ialah ia mempunyai kerintangan yang agak tinggi, ketulenan yang lebih tinggi, dan boleh menahan voltan tinggi, tetapi sukar untuk membuat wafer bersaiz besar, dan sifat mekanikalnya lemah, jadi ia sering digunakan untuk wafer silikon peranti kuasa, dan jarang digunakan dalam litar bersepadu.

Terdapat tiga langkah dalam membuat rod silikon kristal tunggal dengan kaedah lebur zon:

1. Panaskan silikon polihabluran, sentuh dengan kristal benih, dan putar ke bawah untuk menarik kristal tunggal. Dalam ruang relau di bawah persekitaran vakum atau gas lengai, gunakan medan elektrik untuk memanaskan rod silikon polihablur sehingga silikon polihablur di kawasan yang dipanaskan cair untuk membentuk zon lebur.

2. Hubungi zon cair dengan kristal benih dan cairkannya.

3. Dengan menggerakkan kedudukan pemanasan medan elektrik, zon lebur pada polysilicon bergerak ke atas secara berterusan, manakala kristal benih perlahan-lahan berputar dan meregang ke bawah, secara beransur-ansur membentuk rod silikon kristal tunggal. Oleh kerana kaedah lebur zon tidak menggunakan mangkuk pijar, banyak sumber pencemaran dielakkan, dan kristal tunggal yang ditarik oleh kaedah lebur zon mempunyai ciri-ciri ketulenan yang tinggi.

▲FZ Farad struktur ruang kristal tunggal

▲Rajah skematik tarikan kristal tunggal FZ

2. Kos pembuatan

Wafer silikon semikonduktor mempunyai keperluan yang lebih tinggi untuk ketulenan dan sifat elektrik daripada wafer silikon tenaga baharu, jadi lebih banyak langkah penulenan dan bekalan bahan mentah diperlukan dalam proses pembuatan, menghasilkan rangkaian bahan mentah pembuatan yang lebih pelbagai. Oleh itu, perkadaran kos bahan silikon agak berkurangan, tetapi perkadaran perbelanjaan pembuatan akan meningkat secara relatif.

Untuk wafer silikon semikonduktor, kos bahan mentah adalah kos utama, menyumbang kira-kira 47% daripada kos perniagaan utama. Yang kedua ialah perbelanjaan pembuatan, menyumbang kira-kira 38.6%. Sama seperti industri pembuatan semikonduktor, industri wafer silikon ialah industri berintensif modal dengan permintaan tinggi untuk pelaburan aset tetap, yang akan menjana perbelanjaan pembuatan yang tinggi akibat susut nilai aset tetap seperti mesin dan peralatan. Akhirnya, kos buruh langsung menyumbang kira-kira 14.4%.

Antara kos bahan mentah pembuatan wafer silikon, polysilicon ialah bahan mentah utama, menyumbang kira-kira 30.7%. Yang kedua ialah bahan pembungkusan, menyumbang kira-kira 17.0%. Memandangkan wafer silikon semikonduktor mempunyai keperluan yang tinggi untuk kebersihan dan vakum, terutamanya untuk wafer silikon, yang mudah teroksida, keperluan untuk pembungkusan adalah lebih tinggi daripada keperluan untuk wafer silikon tenaga baharu. Oleh itu, dalam struktur kos, bahan pembungkusan menyumbang bahagian yang tinggi. Pisau kuarza menyumbang kira-kira 8.7% daripada kos bahan mentah. Pisau kuarza yang digunakan dalam pembuatan wafer silikon semikonduktor juga merupakan pijar pakai buang, tetapi sifat fizikal dan terma pijar adalah lebih menuntut. Cecair penggilap, roda pengisar, dan pad pengilat menyumbang 13.8% secara keseluruhan dan digunakan terutamanya dalam proses penggilapan wafer silikon.

▲Struktur kos operasi industri silikon pada 2018

▲Komposisi bahan mentah industri silikon pada 2018

Kos air dan elektrik menyumbang kira-kira 15% daripada kos pembuatan: Dalam kos pembuatan, jumlah kos air dan elektrik menyumbang kira-kira 15% daripada keseluruhan kos pembuatan, di mana kos elektrik menyumbang kira-kira 11.4% dan kos air menyumbang untuk kira-kira 3.4%. Dari segi jumlah yang sepadan, menurut data kewangan 2018 Kumpulan Industri Silikon, jumlah kos kos elektrik dan air adalah bersamaan dengan kos bahan pembungkusan, menyumbang kira-kira separuh daripada bahan polysilicon. Kos elektrik adalah lebih tinggi sedikit daripada pijar kuarza sebanyak kira-kira 20%.

▲Kadaran kos pembuatan industri silikon pada 2018

▲ Komposisi separa kos Kumpulan Industri Silikon pada 2018 (Unit: 10,000 yuan)

3, Empat halangan kepada pembuatan wafer silikon

Halangan kepada wafer silikon agak tinggi, terutamanya untuk wafer silikon semikonduktor. Terdapat empat halangan utama: halangan teknikal, halangan pensijilan, halangan peralatan dan halangan modal.

▲ Halangan utama kepada industri pembuatan wafer silikon

Halangan teknikal:Penunjuk teknikal wafer silikon agak besar. Sebagai tambahan kepada saiz biasa, ketebalan penggilap, dsb., terdapat juga lengkungan, kerintangan, kelengkungan, dll. wafer silikon. Dari segi wafer silikon 300mm arus perdana, disebabkan oleh keperluan keseragaman yang tinggi bagi proses lanjutan untuk wafer silikon, berbanding dengan wafer 200mm, parameter seperti kerataan, warpage, kelengkungan, dan sisa logam permukaan ditambah untuk memantau keperluan kualiti wafer silikon 300mm. . Dari segi ketulenan, wafer silikon proses lanjutan diperlukan sekitar 9N (99.9999999%)-11N (99.999999999%), yang merupakan penghalang teknikal utama bagi pembekal wafer silikon.

Wafer silikon adalah produk yang sangat disesuaikan; ketulenan adalah parameter paling asas wafer silikon dan juga halangan teknikal utama. Selain itu, wafer silikon bukan produk universal dan tidak boleh disalin. Spesifikasi wafer silikon besar dalam pelbagai faundri wafer adalah berbeza sama sekali, dan penggunaan berbeza pelbagai produk terminal juga akan membawa kepada keperluan yang sama sekali berbeza untuk wafer silikon. Ini memerlukan pengeluar wafer silikon untuk mereka bentuk dan mengeluarkan wafer silikon yang berbeza mengikut produk pelanggan akhir yang berbeza, yang meningkatkan lagi kesukaran bekalan wafer silikon.

▲Ramalan keuntungan segmen perniagaan syarikat

Halangan pensijilan:Pengeluar cip mempunyai syarat ketat terhadap kualiti pelbagai bahan mentah dan sangat berhati-hati dalam memilih pembekal. Terdapat halangan yang tinggi untuk memasuki senarai pembekal pengeluar cip. Biasanya, pengeluar cip akan memerlukan pembekal wafer silikon untuk menyediakan beberapa wafer silikon untuk pengeluaran percubaan, dan kebanyakannya digunakan untuk wafer ujian, bukan wafer pengeluaran besar-besaran wafer. Selepas lulus wafer ujian, kumpulan kecil wafer pengeluaran besar-besaran akan dihasilkan percubaan. Selepas lulus pensijilan dalaman, pengeluar cip akan menghantar produk kepada pelanggan hiliran. Selepas mendapat pensijilan pelanggan mereka, pembekal wafer silikon akhirnya akan disahkan dan kontrak pembelian akan ditandatangani. Ia mengambil masa yang lama untuk produk syarikat wafer silikon semikonduktor memasuki rantaian bekalan pengeluar cip. Kitaran pensijilan untuk pembekal baharu mengambil masa sekurang-kurangnya 12-18 bulan.

Selain itu, halangan pensijilan daripada wafer ujian kepada wafer pengeluaran besar-besaran: Pada masa ini, kebanyakan 12-wafer inci di China kekal dalam pembekalan wafer ujian, tetapi prosedur pensijilan untuk wafer ujian adalah berbeza sama sekali daripada yang wafer pengeluaran besar-besaran, dan piawaian pensijilan untuk wafer silikon pengeluaran besar-besaran adalah lebih ketat. Memandangkan wafer silikon ujian tidak mengeluarkan cip, ia hanya perlu diperakui oleh faundri wafer itu sendiri, dan ia hanya perlu diperakui di tapak pembuatan semasa. Walau bagaimanapun, untuk wafer silikon yang dihasilkan secara besar-besaran, ia mesti diperakui oleh pelanggan fabless terminal dan dipantau pada semua langkah keseluruhan proses pembuatan sebelum ia boleh dibekalkan dalam kelompok. Secara umumnya, untuk mengekalkan kestabilan bekalan wafer silikon dan hasil cip. Sebaik sahaja pengeluar wafer dan pembekal wafer silikon mewujudkan hubungan bekalan, mereka tidak akan mudah menukar pembekal, dan kedua-dua pihak akan mewujudkan mekanisme maklum balas untuk memenuhi keperluan yang diperibadikan, dan kelekitan antara pembekal wafer silikon dan pelanggan akan terus meningkat. Jika pengeluar wafer silikon baharu menyertai barisan pembekal, ia mesti menyediakan hubungan kerjasama yang lebih erat dan kualiti wafer silikon yang lebih tinggi daripada pembekal asal. Oleh itu, dalam industri wafer silikon, kelekitan antara pembekal wafer silikon dan pengeluar wafer adalah agak besar, dan sukar bagi pembekal baru untuk memecahkan kelekitan itu.

Halangan peralatan:Peralatan teras untuk pembuatan wafer silikon ialah relau kristal tunggal, yang boleh digambarkan sebagai "mesin fotolitografi" dalam wafer silikon. Relau kristal tunggal pengeluar wafer silikon arus perdana antarabangsa semuanya dihasilkan sendiri. Sebagai contoh, relau kristal tunggal Shin-Etsu dan SUMCO direka dan dikeluarkan secara bebas oleh syarikat atau direka dan dikeluarkan melalui anak syarikat induk, dan pengeluar wafer silikon lain tidak boleh membelinya. Pengeluar wafer silikon utama lain mempunyai pembekal relau kristal tunggal bebas mereka sendiri dan menandatangani perjanjian kerahsiaan yang ketat, yang menjadikannya mustahil bagi pengeluar wafer silikon luaran untuk membeli, atau mereka hanya boleh membeli relau kristal tunggal biasa, tetapi tidak dapat membekalkan relau kristal tunggal berspesifikasi tinggi . Oleh itu, halangan peralatan juga menjadi sebab mengapa pengeluar domestik tidak boleh memasuki arus perdana pembekal wafer silikon global.

Halangan modal:Proses pembuatan wafer silikon semikonduktor adalah kompleks, memerlukan pembelian peralatan pengeluaran yang canggih dan mahal, dan juga memerlukan pengubahsuaian dan penyahpepijatan berterusan mengikut keperluan pelanggan yang berbeza. Disebabkan oleh kos tetap yang tinggi seperti susut nilai peralatan, perubahan dalam permintaan hiliran mempunyai kesan yang lebih besar terhadap penggunaan kapasiti syarikat wafer silikon, dan dengan itu ke atas keuntungan syarikat pembuatan wafer silikon. Khususnya, syarikat yang baru memasuki industri wafer silikon hampir mengalami kerugian sebelum mereka mencapai penghantaran skala, dan mempunyai keperluan yang tinggi untuk halangan modal. Di samping itu, disebabkan kitaran pensijilan yang panjang bagi fabrik wafer untuk wafer silikon, pengeluar wafer silikon perlu terus melabur dalam tempoh ini, yang juga memerlukan banyak dana.

3. Masih akan menjadi raja bahan semikonduktor Pada masa ini, pasaran wafer semikonduktor didominasi oleh bahan silikon. Bahan silikon menyumbang kira-kira 95% daripada keseluruhan pasaran semikonduktor. Bahan lain adalah terutamanya bahan semikonduktor kompaun, terutamanya wafer GaAs bahan semikonduktor generasi kedua dan bahan semikonduktor generasi ketiga wafer SiC dan GaN. Antaranya, wafer silikon adalah terutamanya cip logik, cip memori, dan lain-lain, dan merupakan bahan wafer semikonduktor yang paling banyak digunakan. Wafer GaAs adalah terutamanya cip RF, dan senario aplikasi utama ialah voltan rendah dan frekuensi tinggi; bahan semikonduktor generasi ketiga adalah terutamanya cip berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi, dan senario aplikasi utama adalah frekuensi tinggi dan kuasa tinggi.

▲Nisbah bahan wafer

▲Skop aplikasi wafer daripada bahan yang berbeza

Separuh kompaun dan bahan silikon tidak berada dalam hubungan kompetitif, tetapi hubungan pelengkap; undang-undang pembangunan bahan semikonduktor (terutamanya wafer, substrat dan bahan wafer epitaxial) merangkumi tiga laluan, iaitu saiz, kelajuan dan kuasa, dan tiga laluan itu sepadan dengan bahan semikonduktor generasi pertama, kedua dan ketiga.

▲Perbandingan prestasi bahan generasi pertama/kedua/ketiga

Bahan semikonduktor generasi pertama:Laluan bersaiz besar: Bahan semikonduktor generasi pertama merujuk kepada bahan silikon. Bahan silikon ialah bahan wafer yang paling awal dibangunkan, dan juga merupakan bahan dengan teknologi paling matang, kos terendah, dan rantaian industri paling lengkap pada peringkat ini. Pada masa yang sama, apabila saiz wafer silikon meningkat, kos cip tunggal berkurangan. Bidang aplikasi utama ialah cip logik dan voltan rendah, medan kuasa rendah. Saiz wafer silikon berjulat daripada 2 inci, 4 inci, 6 inci, 8 inci, hingga teknologi wafer 12-inci arus perdana hari ini. Syarikat wafer silikon biasa termasuk Shin-Etsu Chemical Jepun, Sumco, dll. Pada masa ini, fabrik wafer antarabangsa utama menggunakan bahan silikon sebagai bahan pengeluaran utama.

▲Perbandingan saiz wafer yang berbeza

Bahan semikonduktor generasi kedua:laluan berkelajuan tinggi. Memandangkan cip perlu dapat menahan pensuisan frekuensi tinggi dalam litar RF, wafer semikonduktor generasi kedua telah dicipta. Medan aplikasi utama ialah litar RF, dan medan terminal biasa ialah cip RF terminal mudah alih seperti telefon bimbit. Semikonduktor generasi kedua diwakili terutamanya oleh GaAs (gallium arsenide) dan InP (indium phosphide), antaranya GaAs ialah bahan cip RF terminal mudah alih yang biasa digunakan hari ini. Syarikat faundri biasa termasuk Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo, dll., yang merupakan syarikat IDM cip RF. Aliran perdana semasa ialah wafer 4-inci dan 6-inci.

Bahan semikonduktor generasi ketiga:laluan berkuasa tinggi: hampir pada titik permulaan yang sama, dengan peluang terbanyak. Laluan ketiga adalah untuk meningkatkan kuasa, yang akan mempromosikan aplikasinya yang meluas dalam bidang litar berkuasa tinggi. Bahan utama ialah SiC dan GaN. Terminal utama adalah bidang perindustrian, automotif dan lain-lain. Laluan kuasa membangunkan cip IGBT pada bahan silikon, manakala bahan SiC (silikon karbida) dan GaN (gallium nitride) mempunyai prestasi yang lebih tinggi daripada IGBT. Pada masa ini, wafer SiC kebanyakannya 4-inci dan 6-inci, dan bahan GaN terutamanya 6-inci dan 8-inci. Faurin utama dunia termasuk Cree dan Wolfspeed di Amerika Syarikat dan X-Fab di Jerman. Namun, dalam bidang ini, perkembangan gergasi antarabangsa juga agak perlahan. Syarikat domestik seperti Sanan Optoelektronik, walaupun masih terdapat jurang tertentu dalam tahap teknologi, berada di peringkat awal keseluruhan industri dan berkemungkinan besar akan memecahkan monopoli asing dan menduduki tempat dalam peta faundri kuasa antarabangsa.

Bahan kompaun memerlukan substrat silikon:Walaupun pada masa ini terdapat sejumlah besar cip wafer SiC dan GaN, seperti pengecas GaN yang dikeluarkan oleh Xiaomi, OPPO, dan Realme, dan model3 yang dikeluarkan oleh Tesla menggunakan SiC MOSFET dan bukannya IGBT. Walau bagaimanapun, untuk wafer, kebanyakan cip semikonduktor kompaun pengguna pada masa ini menggunakan wafer silikon sebagai substrat, dan kemudian membuat wafer epitaxial kompaun, dan kemudian membuat cip pada wafer epitaxial.

Kos wafer semikonduktor kompaun agak tinggi:Pada masa ini, disebabkan oleh ketidaklengkapan rantaian industri semikonduktor kompaun, kapasiti pengeluaran semikonduktor kompaun adalah rendah dan harga wafer semikonduktor kompaun agak tinggi. Ini membawa kepada penerimaan pengguna akhir yang rendah, dan penyelesaian arus perdana untuk elektronik pengguna masih "substrat silikon + wafer epitaxial kompaun". Dalam bidang automotif, IGBT berasaskan silikon masih menjadi penyelesaian arus perdana. Cip IGBT berasaskan silikon mempunyai kos yang rendah dan pelbagai voltan pilihan. Harga peranti SiC MOSFET adalah 6 hingga 10 kali ganda daripada IGBT berasaskan silikon. Membandingkan parameter prestasi SiC-MOSFET dan Si-IGBT di bawah parameter teknikal 650V/20A Infineon, SiC-MOSFET masih lebih unggul daripada Si-IGBT dari segi parameter prestasi, tetapi dari segi harga, SiC-MOSFET adalah 7 kali ganda daripada Si-IGBT. Selain itu, apabila rintangan pada peranti SiC berkurangan, harga SiC-MOSFET meningkat secara eksponen. Sebagai contoh, apabila rintangan pada 45 miliohm, SiC-MOSFET hanya $57.6, apabila rintangan pada 11 miliohm, harga ialah $159.11, dan apabila rintangan pada bersamaan dengan 6 miliohm, harga telah mencapai $310.98.

▲Infineon SiC-MOSFET lwn. Si-IGBT Perbandingan

▲Harga Infineon SiC-MOSFET dan perhubungan pada rintangan

4, Usaha domestik telah mewujudkan potensi pasaran yang besar.

1. Pasaran wafer silikon sedang memasuki kitaran pertumbuhan.

Perkadaran bahan pembuatan semikonduktor telah meningkat dari tahun ke tahun. Bahan semikonduktor boleh dibahagikan kepada bahan pembungkusan dan bahan pembuatan (termasuk wafer silikon dan pelbagai bahan kimia, dsb.). Dalam jangka panjang, bahan pembuatan semikonduktor dan bahan pembungkusan berada dalam trend yang sama. Walau bagaimanapun, sejak 2011, dengan pembangunan berterusan proses lanjutan, penggunaan bahan pembuatan semikonduktor telah meningkat secara beransur-ansur, dan jurang antara bahan pembuatan dan bahan pembungkusan telah meningkat secara beransur-ansur. Pada 2018, jualan bahan pembuatan ialah AS$32.2 bilion, dan jualan bahan pembungkusan ialah AS$19.7 bilion, dan bahan pembuatan adalah kira-kira 1.6 kali ganda daripada bahan pembungkusan. Antara bahan semikonduktor, bahan pembuatan menyumbang kira-kira 62% dan bahan pembungkusan menyumbang 38%.

▲Kadaran penggunaan bahan semikonduktor pada 2018

▲Nisbah kos bahan pembuatan semikonduktor

Wafer silikon ialah bahan guna habis terbesar dalam pembuatan semikonduktor; antara bahan pembuatan, wafer silikon, sebagai bahan mentah semikonduktor, menyumbang bahagian terbesar, mencapai 37%. Sejak 2017, dengan kekalahan Lee Sedol oleh "AlphaGo", teknologi bintang baharu yang diterajui oleh kecerdasan buatan telah menjadi teknologi utama yang memacu pembangunan semikonduktor global. Khususnya, pada tahun 2018, permintaan global untuk memori melonjak, ditambah pula dengan wabak teknologi blockchain, dan permintaan untuk wafer silikon mencecah rekod tertinggi. Peningkatan dalam penghantaran semikonduktor global juga telah mendorong peningkatan pesat dalam penghantaran wafer silikon. Dari segi penghantaran, pada 2018, kawasan penghantaran wafer silikon global melebihi 10 bilion inci persegi untuk kali pertama, mencecah 12.7 bilion inci persegi. Pada 2019, disebabkan geseran perdagangan pada separuh pertama tahun itu, kawasan penghantaran berkurangan kepada 11.8 bilion inci persegi. Dari segi pusing ganti pasaran, jualan pasaran global pada 2018 ialah AS$11.4 bilion, dan pada 2019 ia mencecah AS$11.2 bilion.

▲2009-2019 Kawasan Penghantaran Wafer Silikon Global

▲2009-2019 Jualan Wafer Silikon Global

Dari perspektif pembahagian wafer, disebabkan kos tinggi bahan semikonduktor generasi kedua dan generasi ketiga, dan fakta bahawa kebanyakan semikonduktor kompaun adalah berdasarkan wafer silikon, wafer silikon menyumbang 95% daripada substrat wafer global. Daripada perspektif saiz wafer tertentu, 12-wafer inci ialah jenis utama wafer silikon global. Pada tahun 2018, 12-wafer inci menyumbang 64% daripada penghantaran wafer silikon global dan 8-wafer inci menyumbang 26%.

▲Nisbah penghantaran wafer silikon mengikut saiz

Dari perspektif aplikasi terminal, penggunaan global bagi 12-wafer inci adalah terutamanya cip memori, dengan memori Nand Flash dan DRAM menyumbang kira-kira 75% secara keseluruhan, yang mana Nand Flash menggunakan kira-kira 33% wafer dan Nand flash mempunyai 35% daripada pasaran hiliran dalam pasaran telefon pintar. Dapat dilihat bahawa peningkatan dalam penghantaran dan kapasiti telefon pintar adalah faktor utama yang mendorong penghantaran wafer 12-inci. Di antara 12-wafer inci, cip logik menyumbang kira-kira 25%, DRAM menyumbang kira-kira 22.2% dan cip lain seperti CIS menyumbang kira-kira 20%.

2. Pasaran wafer silikon semikonduktor China mempunyai ruang yang besar

Pasaran bahan semikonduktor China telah berkembang dengan mantap. Pada 2018, jualan bahan semikonduktor global mencecah AS$51.94 bilion, peningkatan tahun ke tahun sebanyak 10.7%. Antaranya, jualan China ialah AS$8.44 bilion. Tidak seperti pasaran global, jualan bahan semikonduktor China telah berkembang sejak 2010, dan telah berkembang pada kadar lebih daripada 10% selama tiga tahun berturut-turut dari 2016 hingga 2018. Pasaran bahan semikonduktor global sangat dipengaruhi oleh faktor kitaran, terutamanya di Taiwan , China dan Korea Selatan, di mana turun naiknya adalah besar. Pasaran Amerika Utara dan Eropah hampir berada dalam keadaan pertumbuhan sifar. Bahan semikonduktor Jepun telah berada dalam keadaan pertumbuhan negatif sejak sekian lama. Di peringkat global, hanya pasaran bahan semikonduktor di tanah besar China berada dalam tetingkap pertumbuhan jangka panjang. Pasaran bahan semikonduktor China adalah berbeza dengan pasaran global.

▲Jualan bahan semikonduktor global dan kadar pertumbuhan (dalam bilion dolar AS)

▲Jualan tahunan bahan semikonduktor mengikut negara dan wilayah (Unit: bilion dolar AS)

Bahan semikonduktor global secara beransur-ansur beralih ke pasaran tanah besar China. Daripada bahagian jualan pelbagai negara dan wilayah, tiga negara atau wilayah teratas menyumbang 55% pada 2018, dan kesan kepekatan serantau adalah jelas. Antaranya, Taiwan, China menyumbang kira-kira 23% daripada kapasiti pengeluaran wafer global, menjadikannya rantau yang mempunyai kapasiti pengeluaran terbesar di dunia. Jualan bahan semikonduktornya ialah AS$11.4 bilion, mencakupi 22% dunia, menduduki tempat pertama, dan ia telah menjadi wilayah penggunaan bahan semikonduktor terbesar di dunia selama sembilan tahun berturut-turut. Korea Selatan menyumbang kira-kira 20% daripada kapasiti pengeluaran wafer global, dengan jualan bahan semikonduktor sebanyak AS$8.72 bilion, menyumbang 17%, menduduki tempat kedua. Tanah Besar China menyumbang kira-kira 13% daripada kapasiti pengeluaran global, dengan jualan bahan semikonduktor sebanyak AS$8.44 bilion, menyumbang kira-kira 16% daripada dunia, menduduki tempat ketiga. Walau bagaimanapun, dalam jangka panjang, bahagian pasaran bahan semikonduktor di tanah besar China telah meningkat tahun demi tahun, daripada 7.5% pada 2007 kepada 16.2% pada 2018. Bahan semikonduktor global secara beransur-ansur beralih ke pasaran tanah besar China.

▲ Bahagian jualan mengikut negara dan wilayah pada 2018

▲ Jualan dan bahagian bahan semikonduktor di tanah besar China (dalam bilion dolar AS)

Kapasiti pengeluaran wafer global akan menggalakkan pertumbuhan yang meletup. Fab 12-inci wafer, yang mewakili teknologi paling canggih dalam fab wafer hari ini, berada pada kemuncaknya dalam pembinaan dari 2017 hingga 2019, dengan purata 8 12-fab wafer inci ditambah setiap tahun di seluruh dunia. Dianggarkan menjelang tahun 2023, akan ada 138 12-inci kain wafer di dunia. Menurut statistik IC Insight, disebabkan ketidaktentuan perang perdagangan China-AS pada separuh pertama 2019, fabrik wafer utama di seluruh dunia menangguhkan rancangan peningkatan kapasiti mereka, tetapi tidak membatalkannya. Dengan pemulihan perdagangan China-AS pada separuh kedua 2019 dan tercetusnya pasaran 5G, kapasiti pengeluaran wafer global pada 2019 masih mengekalkan peningkatan sebanyak 7.2 juta keping. Walau bagaimanapun, dengan ketibaan gelombang penggantian pasaran 5G, kapasiti pengeluaran wafer global akan membawa kepada tempoh puncak peningkatan dari 2020 hingga 2022, dengan peningkatan tiga tahun masing-masing sebanyak 17.9 juta keping, 20.8 juta keping dan 14.4 juta keping, dan akan mencatat rekod tertinggi pada tahun 2021. Kapasiti wafer ini akan berada di Korea Selatan (Samsung, Hynix), Taiwan (TSMC) dan tanah besar China (Storan Sungai Yangtze, Simpanan Changxin, SMIC, Semikonduktor Huahong, dll.). Tanah Besar China akan menyumbang 50% daripada peningkatan kapasiti.

▲Bilangan 12-pabrik wafer inci di seluruh dunia, 2002-2023

▲ Peningkatan kapasiti pengeluaran global (unit: juta keping/tahun, 8-wafer bersamaan inci)

Pembinaan fabrik wafer di tanah besar China akan membawa kepada tempoh pertumbuhan yang pesat. Sejak 2016, tanah besar China telah mula melabur secara aktif dalam pembinaan fabrik wafer, dan gelombang pembinaan kilang telah dimulakan. Menurut ramalan SEMI, 62 fabrik wafer akan dibina dan dikeluarkan di dunia dari 2017 hingga 2020, di mana 26 daripadanya akan berada di China, menyumbang 42% daripada jumlah keseluruhan. Bilangan pembinaan pada tahun 2018 ialah 13, menyumbang 50% daripada pengembangan. Hasil pengembangan pasti akan membawa kepada peningkatan dalam perbelanjaan modal dan perbelanjaan peralatan untuk fab wafer. Menurut SEMI, menjelang 2020, kapasiti terpasang fab wafer di tanah besar China akan mencapai 4 juta 8-inci wafer bersamaan sebulan, berbanding 2.3 juta pada 2015, dengan kadar pertumbuhan kompaun tahunan sebanyak 12%, iaitu jauh lebih tinggi daripada kawasan lain. Pada masa yang sama, National Big Fund juga telah melabur banyak dalam industri pembuatan semikonduktor. Dalam fasa pertama pelaburan Dana Besar, industri pembuatan menyumbang sebanyak 67%, jauh lebih tinggi daripada industri reka bentuk dan industri pembungkusan dan ujian.

▲2010-2020 Pelaburan fabrik wafer semikonduktor China (Unit: AS$ 100 juta)

▲Nisbah pelaburan fasa pertama Dana Besar Nasional

Sehingga penghujung 2019, masih terdapat 9 8-pabrik wafer inci dan 10 12-pabrik wafer inci dalam pembinaan atau perancangan di China. Selain itu, memandangkan kebanyakan fabrik wafer 12-inci China sedang dalam pengeluaran percubaan atau pengeluaran kumpulan kecil, ia berada di bahagian bawah kapasiti pengeluaran. Selepas mendapat pengesahan produk daripada pelanggan dan pengesahan pasaran, kapasiti pengeluaran akan memasuki fasa peningkatan, dan akan terdapat permintaan yang besar untuk bahan mentah huluan.

▲Fab wafer baharu di China

Populariti 5G telah membawa kepada peningkatan dalam kandungan silikon terminal: daripada era telefon pintar bermula dengan iPhone 3, kepada telefon mudah alih 4G yang diwakili oleh iPhone 5, dan akhirnya ke era telefon mudah alih 5G semasa. Kandungan silikon telefon bimbit terus meningkat. Menurut analisis kos bahan telefon mudah alih dengan merungkai organisasi seperti cerapan teknologi dan iFixit, nilai unit cip utama telefon mudah alih, seperti pemproses telefon mudah alih (AP), cip pemprosesan jalur asas (BP), memori (Nand flash , DRAM), modul kamera (CIS), cip frekuensi radio (RF), cip pengurusan kuasa (PMIC), cip Bluetooth/wifi, dsb., telah menunjukkan peningkatan secara beransur-ansur dan perkadaran jumlah nilai unit telah meningkat tahun demi tahun. Walaupun dalam peringkat iPhone X, perkadaran cip menurun disebabkan oleh perubahan dalam skrin, dengan pengoptimuman berterusan seterusnya, perkadaran kos cip juga meningkat dari tahun ke tahun. Menjelang era iPhone 11 pro max, kemuncak telefon bimbit 4G, bahagian cip utama telah mencapai 55%, dan nilai satu unit adalah kira-kira AS$272. Dalam evolusi daripada iPhone 3 kepada iPhone 11 Pro Max, kamera telefon mudah alih telah berubah daripada satu tangkapan kepada 3 tangkapan, memori badan telah meningkat daripada 8GB kepada 512GB, perkadaran kandungan silikon seunit telah meningkat daripada 37% kepada 55% , dan nilai seunit telah meningkat daripada AS$68 kepada AS$272.

2020 ialah tahun pertama pengeluaran besar-besaran telefon mudah alih 5G. Menurut analisis pembongkaran telefon bimbit Samsung S20 dan Xiaomi 10 yang telah dikeluarkan, nilai dan perkadaran cip utama seunit telah meningkat lagi berbanding dengan telefon mudah alih 4G. Bagi Samsung, cip utama menyumbang 63.4% daripada jumlah kos bahan, dan nilai seunit telah mencecah AS$335, iaitu 23% lebih tinggi daripada iPhone 11 Pro Max. Bagi Xiaomi, perkadaran cip utama lebih tinggi lagi, mencecah 68.3%, dan nilai seunit cip utama juga mencecah AS$300. Menurut pembongkaran Samsung S20 dan Xiaomi 10, dianggarkan bahawa cip utama dalam telefon mudah alih 5G awal akan menyumbang kira-kira 65%~70%, dan nilai satu mesin adalah sekitar AS${{18} }.

▲Pecahan kos BOM telefon pintar arus perdana

▲ Nisbah kos cip utama dalam telefon mudah alih yang berbeza

Pembinaan fab wafer meningkatkan permintaan untuk wafer silikon: pengembangan kapasiti fab wafer sudah pasti akan membawa kepada peningkatan dalam permintaan untuk wafer silikon. Pada masa ini, China telah melabur banyak dalam fabrik wafer, membentuk industri memori yang dikuasai oleh Yangtze Memory Technologies dan Hefei Changxin, industri cip logik yang dikuasai oleh SMIC, barisan pengeluaran proses khusus yang didominasi oleh Huahong Semiconductor dan Jetta Semiconductor, dan faundri peranti kuasa dikuasai oleh China Resources Microelectronics dan Silan Microelectronics. Pada masa ini, kadar pertumbuhan jualan wafer silikon di tanah besar China pada 2017/2018 adalah lebih tinggi daripada 40%. Dan mendapat manfaat daripada trend pelaburan dana yang besar dan penggantian domestik, fab wafer hiliran telah mengembangkan sepenuhnya kapasiti pengeluaran mereka, memacu peningkatan permintaan untuk wafer silikon huluan. Menurut ramalan SUMCO, pada tahun 2020, permintaan untuk wafer silikon 8-inci di tanah besar China ialah kira-kira 970,000 keping dan 12-wafer inci akan mencecah 1.05 juta keping.

▲Kadar jualan wafer silikon tanah besar China dan kadar pertumbuhan (Unit: AS$ bilion)

▲Perubahan dalam permintaan wafer silikon di tanah besar China (unit: 10,000 keping/bulan)

Kitaran kenaikan harga + proses lanjutan menggalakkan kenaikan "harga": Menurut pengiraan harga wafer silikon sejarah, ia kini berada pada permulaan pusingan baharu kitaran kenaikan harga. Dari 2009 hingga 2011, telefon pintar menjadi popular dengan cepat, kandungan silikon telefon mudah alih meningkat dan harga silikon seunit luas terus meningkat, mencecah $1.09/inci persegi pada tahun 2011. Kemudian , dengan peningkatan dalam inventori wafer silikon dan penurunan dalam jualan telefon pintar, harga wafer silikon seunit kawasan terus jatuh, dan mencapai titik terendah pada 2016, pada $0.67/inci persegi. Pada 2016, "AlphaGo" Google mengalahkan Lee Sedol, membolehkan kecerdasan buatan memasuki peringkat sejarah. Permintaan global untuk wafer silikon meningkat, memasuki pusingan baharu kitaran kenaikan harga. Dengan keluaran telefon bimbit 5G pada 2019, harga wafer silikon seunit luas mencapai $0.94. Dengan keluaran berskala besar telefon mudah alih 5G pada tahun 2020, memacu permintaan global untuk wafer silikon, dijangkakan terdapat 2-3 tahun ruang kenaikan harga pada masa hadapan.

Proses lanjutan menaikkan harga; wafer silikon semikonduktor adalah bahan asas untuk pembuatan cip, dan sebarang turun naik dalam kualiti akan memberi kesan serius pada cip. Dengan pembangunan berterusan proses lanjutan, keperluan kekotoran untuk wafer silikon semikonduktor semakin tinggi dan lebih tinggi. Keperluan yang lebih tinggi menjadikan proses pembuatan wafer silikon semakin sukar, jadi harganya semakin tinggi. Contohnya, untuk wafer silikon 12-inci yang sama, harga wafer silikon proses 7nm ialah 4.5 kali ganda harga wafer silikon 90nm. Pada masa ini, fabrik wafer di tanah besar China kebanyakannya dibina dengan wafer 12-inci, dan harga wafer silikon jauh lebih tinggi daripada wafer 8-inci. Pada masa yang sama, faundri cip logik yang diwakili oleh SMIC dan Huahong Semiconductor telah memindahkan proses secara beransur-ansur daripada proses 28nm kepada 16/14nm, yang telah meningkatkan harga keseluruhan wafer silikon.

Sejak barisan pembuatan 12-inci mula dibuka di dunia pada tahun 2000, permintaan pasaran telah meningkat dengan ketara. Pada tahun 2008, volum penghantaran melebihi 8-inci wafer silikon untuk kali pertama, dan pada tahun 2009 ia melebihi jumlah kawasan penghantaran saiz lain wafer silikon. Dari 2016 hingga 2018, disebabkan oleh perkembangan pesat pasaran baru muncul seperti AI, pengkomputeran awan dan rantaian blok, kadar pertumbuhan tahunan kompaun bagi wafer silikon 12-inci ialah 8%. Pada masa hadapan, bahagian pasaran wafer silikon 12-inci akan terus meningkat. Menurut data SUMCO, masih terdapat jurang dalam bekalan dan permintaan global 12-wafer silikon inci dalam 3-5 tahun akan datang, dan jurang akan menjadi lebih besar dan lebih besar seiring dengan kemakmuran semikonduktor kitaran bertambah. Menjelang 2022, akan ada jurang 1000K/bulan. Sebagai pangkalan pembuatan semikonduktor yang baru muncul di dunia, jurang wafer silikon China yang besar akan menggalakkan kelajuan penyetempatan wafer silikon.

Menurut statistik SUMCO, jumlah jualan wafer silikon di tanah besar China pada 2018 adalah kira-kira AS$930 juta, peningkatan tahun ke tahun sebanyak 45%, menjadikannya pasaran wafer silikon yang paling pesat berkembang di dunia. Mendapat manfaat daripada rancangan pengembangan fabrik wafer besar seperti Yangtze Memory, SMIC dan Changxin Storage dalam 2020-2022. Dianggarkan menjelang akhir tahun 2022, permintaan untuk wafer silikon setara 12-inci di tanah besar China akan mencecah 2.01 juta sebulan, dengan ruang pasaran 20 bilion yuan.

Sibranch percaya bahawa sebagai penerima pemindahan ketiga industri semikonduktor, bahagian jualan semikonduktor negara saya dalam pasaran global terus meningkat. Di samping itu, negara saya ialah pengeluar, pengeksport dan pengguna produk elektronik pengguna terbesar di dunia, dan mempunyai permintaan yang besar untuk produk semikonduktor. Oleh itu, tahap penyetempatan akan memberi kesan yang besar kepada keselamatan industri. Sebagai varieti terbesar dan paling asas dalam pasaran bahan pembuatan wafer, negara saya mempunyai kekurangan dalam bidang wafer silikon, dan ini lebih menonjol dalam wafer silikon besar. Walau bagaimanapun, dengan sokongan dasar dan dana negara, banyak syarikat China telah merancang barisan pengeluaran dan membentangkan wafer silikon semikonduktor yang besar.