Las obleas de silicio son la piedra angular de los materiales semiconductores. Primero se convierten en varillas de silicio extrayendo cristales individuales y luego se cortan y fabrican. Dado que el número de electrones de valencia de los átomos de silicio es 4 y el número ordinal es moderado, el silicio tiene propiedades físicas y químicas especiales y puede usarse en campos químicos, fotovoltaicos, de chips y otros. Especialmente en el campo de los chips, son las propiedades semiconductoras del silicio las que lo convierten en la piedra angular de los chips. En el campo de la fotovoltaica, se puede utilizar para la generación de energía solar. Además, el silicio representa el 25,8% de la corteza terrestre. Es relativamente conveniente extraerlo y tiene una gran reciclabilidad, por lo que el precio es bajo, lo que mejora aún más el rango de aplicación del silicio.
1. Silicio: la piedra angular de los materiales de chip Los materiales de silicio se dividen en silicio monocristalino y silicio policristalino según la diferente disposición de las celdas unitarias. La mayor diferencia entre el silicio monocristalino y el silicio policristalino es que la disposición de las celdas unitarias del silicio monocristalino es ordenada, mientras que el silicio policristalino está desordenada. En términos de métodos de fabricación, el silicio policristalino generalmente se fabrica vertiendo directamente material de silicio en un crisol para fundirlo y luego enfriándolo. El silicio monocristalino se transforma en una varilla de cristal tirando de un solo cristal (método Czochralski). En cuanto a las propiedades físicas, las características de los dos tipos de silicio son bastante diferentes. El silicio monocristalino tiene una fuerte conductividad eléctrica y una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica. La eficiencia de conversión fotoeléctrica del silicio monocristalino es generalmente de entre el 17% y el 25%, mientras que la eficiencia del silicio policristalino es inferior al 15%.
▲ Obleas de silicio semiconductor y obleas de silicio fotovoltaico
▲ Estructura de celda unitaria de silicio monocristalino
Obleas de silicio fotovoltaico:Debido al efecto fotoeléctrico y las ventajas obvias del silicio monocristalino, la gente utiliza obleas de silicio para completar la conversión de energía solar en energía eléctrica. En el campo fotovoltaico se utilizan generalmente células cuadradas de silicio monocristalino con esquinas redondeadas. También se utilizan obleas de silicio policristalino más baratas, pero la eficiencia de conversión es menor.
▲Anverso y reverso de la celda de silicio monocristalino
▲Célula de silicio policristalino delante y detrás
Dado que las obleas de silicio fotovoltaicas tienen bajos requisitos de parámetros como la pureza y la deformación, el proceso de fabricación es relativamente sencillo. Tomando como ejemplo las células de silicio monocristalino, el primer paso es cortarlas y redondearlas. Primero, corte la varilla de silicio monocristalino en varillas cuadradas según los requisitos de tamaño y luego redondee las cuatro esquinas de las varillas cuadradas. El segundo paso es el decapado, que consiste principalmente en eliminar las impurezas de la superficie de las varillas cuadradas monocristalinas. El tercer paso es cortar. Primero, pegue las varillas cuadradas limpias a la tabla de trabajo. Luego coloque la tabla de trabajo en la cortadora y córtela de acuerdo con los parámetros de proceso establecidos. Finalmente, limpie las obleas de silicio monocristalino y controle la suavidad de la superficie, la resistividad y otros parámetros.
Obleas de silicio semiconductor:Las obleas de silicio semiconductoras tienen requisitos más altos que las obleas de silicio fotovoltaicas. En primer lugar, todas las obleas de silicio utilizadas en la industria de los semiconductores son de silicio monocristalino, para garantizar las mismas propiedades eléctricas en cada posición de la oblea de silicio. En términos de forma y tamaño, las obleas de silicio monocristalino fotovoltaico son cuadradas, principalmente con longitudes laterales de 125 mm, 150 mm y 156 mm. Las obleas de silicio monocristalino utilizadas para los semiconductores son redondas, con diámetros de 150 mm (6- pulgadas de oblea), 200 mm (8- pulgada de oblea) y 300 mm (12- pulgada de oblea). En términos de pureza, el requisito de pureza para las obleas de silicio monocristalino utilizadas para la energía fotovoltaica está entre 4N-6N (99,99%-99.9999%), pero el requisito de pureza para las obleas de silicio monocristalino utilizadas para los semiconductores es de aproximadamente 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), y el requisito mínimo de pureza es 1000 veces mayor que el de las obleas de silicio monocristalino utilizadas para la energía fotovoltaica. En términos de apariencia, la planitud, suavidad y limpieza de la superficie de las obleas de silicio utilizadas para semiconductores son mayores que las de las obleas de silicio utilizadas para energía fotovoltaica. La pureza es la mayor diferencia entre las obleas de silicio monocristalino utilizadas para la energía fotovoltaica y las obleas de silicio monocristalino utilizadas para los semiconductores.
▲Proceso de fabricación de obleas de silicio semiconductor.
El desarrollo de la Ley de Moore es el desarrollo de obleas de silicio. Dado que las obleas de silicio semiconductor son redondas, las obleas de silicio semiconductor también se denominan "obleas de silicio" u "obleas". Las obleas son el "sustrato" para la fabricación de chips y todos los chips se fabrican sobre este "sustrato". En la historia del desarrollo de las obleas de silicio semiconductor, hay dos direcciones principales: tamaño y estructura.
En términos de tamaño, el camino de desarrollo de las obleas de silicio es cada vez más grande: en la etapa inicial del desarrollo de circuitos integrados, se utilizaron obleas de 0.75-pulgadas. Aumentar el área de la oblea y la cantidad de chips en una sola oblea puede reducir los costos. Alrededor de 1965, con la introducción de la Ley de Moore, tanto la tecnología de circuitos integrados como las obleas de silicio marcaron el comienzo de un período de rápido desarrollo. Las obleas de silicio han pasado por nodos de 4-pulgadas, 6-pulgadas, 8-pulgadas y 12-pulgadas. Desde que Intel e IBM desarrollaron conjuntamente la fabricación de chips de oblea de 12-pulgadas en 2001, la oblea de silicio principal actual son las obleas de 12-pulgadas, que representan alrededor del 70%, pero las obleas de 18-pulgadas (450 mm) sido incluido en el orden del día.
▲Parámetros de diferentes tamaños de oblea
▲El desarrollo del tamaño de las obleas de silicio.
En términos de estructura, la dirección de desarrollo de las obleas de silicio se está volviendo cada vez más compleja: en la etapa inicial del desarrollo de circuitos integrados, solo había un tipo de chip lógico, pero con el creciente número de escenarios de aplicación, chips lógicos, dispositivos de energía. , chips analógicos, chips analógicos y digitales mixtos, chips de almacenamiento flash/DRAM, chips de radiofrecuencia, etc. han aparecido uno tras otro, lo que hace que las obleas de silicio tengan diferentes formas estructurales. Ahora bien, existen principalmente tres tipos:
PW (oblea polaca):oblea pulida. Las obleas de silicio cortadas directamente después de extraer los monocristales no son perfectas en cuanto a suavidad o deformación, por lo que primero deben pulirse. Este método es también la forma más primitiva de procesar obleas de silicio.
AW (oblea recocida):Oblea recocida. Con el desarrollo continuo de la tecnología de procesos y la reducción continua del tamaño de las características de los transistores, las deficiencias de las obleas pulidas quedan gradualmente expuestas, como los defectos de red locales en la superficie de las obleas de silicio y el alto contenido de oxígeno en la superficie de las obleas de silicio. Para solucionar estos problemas, se ha desarrollado la tecnología de recocido de obleas. Después del pulido, la oblea de silicio se coloca en un tubo de horno lleno de gas inerte (generalmente argón) para su recocido a alta temperatura. Esto no sólo puede reparar los defectos de la red en la superficie de la oblea de silicio, sino también reducir el contenido de oxígeno de la superficie.
EW (oblea de epitaxia):Oblea de silicio epitaxial. Con los escenarios de aplicación cada vez mayores de los circuitos integrados, las obleas de silicio estándar fabricadas por las fábricas de obleas de silicio ya no pueden cumplir con los requisitos de algunos productos en términos de propiedades eléctricas. Al mismo tiempo, los defectos de la red reducidos mediante el recocido térmico no pueden cumplir con los requisitos de ancho de línea cada vez más pequeños. Esto ha llevado a la aparición de obleas de silicio epitaxiales. La capa epitaxial habitual es una fina película de silicio. Se cultiva una capa de película delgada de silicio sobre la base de la oblea de silicio original utilizando tecnología de deposición de película delgada. Dado que el sustrato de silicio existe como un cristal semilla en la epitaxia de silicio, el crecimiento de la capa epitaxial replicará la estructura cristalina de la oblea de silicio. Dado que la oblea de silicio del sustrato es un monocristal, la capa epitaxial también es un monocristal. Sin embargo, dado que no está pulida, los defectos de la red en la superficie de la oblea de silicio después del crecimiento se pueden reducir a un nivel muy bajo.
Los indicadores técnicos de epitaxia incluyen principalmente el espesor de la capa epitaxial y su uniformidad, uniformidad de resistividad, control del metal del cuerpo, control de partículas, fallas de apilamiento, dislocaciones y otros controles de defectos. En esta etapa, las personas han logrado una alta calidad de oblea de silicio epitaxial optimizando la temperatura de reacción de epitaxia, el caudal de gas de epitaxia y los gradientes de temperatura del centro y los bordes. Debido a los diferentes productos y a la necesidad de actualizaciones tecnológicas, el proceso epitaxial se ha optimizado continuamente para lograr una alta calidad de oblea de silicio epitaxial.
Además, la tecnología actual puede generar capas epitaxiales con elementos de dopaje de resistividad y concentraciones de dopaje diferentes a las de la oblea de silicio original, lo que facilita el control de las propiedades eléctricas de la oblea de silicio crecida. Por ejemplo, se puede generar una capa epitaxial de silicio tipo N sobre una oblea de silicio tipo P, formando así una unión PN dopada de baja concentración, que puede optimizar el voltaje de ruptura y reducir el efecto de bloqueo en la fabricación posterior del chip. El espesor de la capa epitaxial generalmente varía según el escenario de uso. Generalmente, el grosor del chip lógico es de aproximadamente 0.5 micrones a 5 micrones, y el espesor del dispositivo de alimentación es de aproximadamente 50 micrones a 100 micrones porque necesita soportar alto voltaje.
▲Proceso de crecimiento de oblea de silicio epitaxial
▲Diferentes dopajes de obleas epitaxiales
SW (oblea SOI):SOI significa silicio sobre aislante. Las obleas de silicio SOI se utilizan a menudo en chips frontales de RF debido a sus ventajas, como pequeña capacitancia parásita, pequeño efecto de canal corto, alta densidad de herencia, alta velocidad, bajo consumo de energía y especialmente bajo ruido del sustrato.
▲ Estructura MOS de silicio ordinaria
▲ Estructura MOS de oblea de silicio SOI
Existen cuatro métodos principales para fabricar obleas de silicio SOI:Tecnología SIMOX, tecnología Bonding, tecnología Sim-bond y tecnología Smart-CutTM; El principio de las obleas de silicio SOI es relativamente simple y el objetivo principal es agregar una capa aislante (generalmente principalmente dióxido de silicio SiO2) en el medio del sustrato.
▲Cuatro tecnologías para fabricar obleas SOI
Desde la perspectiva de los parámetros de rendimiento, la tecnología Smart-CutTM es el rendimiento más excelente en la tecnología actual de fabricación de obleas de silicio SOI. El rendimiento de la tecnología Simbond no es muy diferente del de la tecnología Smart-Cut, pero en términos del grosor del silicio superior, la oblea de silicio SOI producida por la tecnología Smart-Cut es más delgada y, desde la perspectiva del costo de producción, Smart -La tecnología de corte puede reutilizar obleas de silicio. Para la futura producción en masa, la tecnología Smart-Cut tiene más ventajas de costos, por lo que la industria ahora generalmente reconoce la tecnología Smart-Cut como la dirección de desarrollo futuro de las obleas de silicio SOI.
▲ Comparación de rendimiento de diferentes tecnologías de fabricación de obleas SOI
Tecnología SIMOX: SIMOX significa Separación por Oxígeno Implantado. Se inyectan átomos de oxígeno en la oblea y luego se recocen a alta temperatura para reaccionar con los átomos de silicio circundantes y formar una capa de dióxido de silicio. La dificultad de esta tecnología es controlar la profundidad y el espesor de la implantación de iones de oxígeno. Tiene altos requisitos para la tecnología de implantación de iones.
Tecnología de unión: la tecnología de unión también se denomina tecnología de unión. Las obleas de silicio SOI fabricadas mediante unión también se denominan Bonded SOI, o BSOI para abreviar. La tecnología de unión requiere dos obleas de silicio ordinarias, una de las cuales se cultiva con una capa de óxido (SiO2) y luego se une con otra fuente de silicio. La conexión es la capa de óxido. Finalmente, se muele y se pule hasta la profundidad deseada de la capa enterrada (SiO2). Dado que la tecnología de unión es más simple que la tecnología de implantación de iones, la mayoría de las obleas de silicio SOI se fabrican actualmente utilizando tecnología de unión.
▲Silicona sobre aislante
▲Método de unión de oblea para formar silicio sobre un aislante
Tecnología Sim-bond:Tecnología de unión por inyección de oxígeno. La tecnología Sim-bond es una combinación de SIMOX y tecnología bond. La ventaja es que el espesor de la capa de óxido enterrada se puede controlar con gran precisión. El primer paso es inyectar iones de oxígeno en una oblea de silicio, luego recocer a alta temperatura para formar una capa de óxido y luego formar una capa de óxido de SiO2 en la superficie de la oblea de silicio. El segundo paso es unir la oblea de silicio a otra oblea. Luego recocido a alta temperatura para formar una interfaz de unión perfecta. El tercer paso es el proceso de adelgazamiento. El adelgazamiento se realiza utilizando la tecnología CMP, pero a diferencia de la tecnología bond, sim-bond tiene una capa de parada automática, que se detendrá automáticamente al esmerilar hasta la capa de SiO2. Luego se elimina la capa de SiO2 mediante grabado. El último paso es el pulido.
Tecnología de corte inteligente:tecnología de pelado inteligente. La tecnología de corte inteligente es una extensión de la tecnología de unión. El primer paso es oxidar una oblea y generar un espesor fijo de SiO2 en la superficie de la oblea. El segundo paso es utilizar tecnología de implantación de iones para inyectar iones de hidrógeno en una profundidad fija de la oblea. El tercer paso es unir otra oblea a la oblea oxidada. El cuarto paso es utilizar tecnología de recocido térmico a baja temperatura para formar burbujas con iones de hidrógeno, lo que hace que una parte de la oblea de silicio se desprenda. Luego se utiliza tecnología de recocido térmico de alta temperatura para aumentar la fuerza de unión. El quinto paso es aplanar la superficie de silicio. Esta tecnología es reconocida internacionalmente como la dirección de desarrollo de la tecnología SOI. El espesor de la capa de óxido enterrada está completamente determinado por la profundidad de implantación de iones de hidrógeno, que es más precisa. Además, la oblea pelada se puede reutilizar, lo que reduce considerablemente el coste.
▲Método de unión SIM para formar silicio sobre aislante
▲Método de corte inteligente para formar silicio sobre aislante
2. Tecnología de fabricación de alta barrera 1. Tecnología de fabricación
La materia prima de las obleas de silicio es el cuarzo, comúnmente conocido como arena, que se puede extraer directamente de la naturaleza. El proceso de fabricación de obleas se puede completar en varios pasos: principalmente desoxidación y purificación, refinación de polisilicio, lingotes de silicio monocristalino (barras de silicio), laminado, corte y pulido de obleas, recocido, prueba, envasado y otros pasos.
▲ Proceso de fabricación de obleas semiconductoras CZ (Czochralski)
▲ Esquema de monocristal CZ Farad
Desoxidación y purificación:El primer paso en la fabricación de obleas de silicio es desoxidar y purificar el mineral de cuarzo. Los principales procesos incluyen clasificación, separación magnética, flotación, desgasificación a alta temperatura, etc. Se eliminan las principales impurezas de hierro y aluminio del mineral.
Refinación de polisilicio:Después de obtener SiO2 relativamente puro, se genera silicio monocristalino mediante reacciones químicas. La reacción principal es SiO2+C→Si+CO. Una vez completada la reacción, el CO se evapora directamente, por lo que sólo quedan cristales de silicio. En este momento, el silicio es silicio policristalino y es silicio bruto que contiene muchas impurezas. Para filtrar el exceso de impurezas, el silicio bruto obtenido debe decaparse. Los ácidos comúnmente utilizados son el ácido clorhídrico (HCl), el ácido sulfúrico (H2SO4), etc. El contenido de silicio después de remojar en ácido es generalmente superior al 99,7%. Durante el proceso de decapado, aunque el hierro, el aluminio y otros elementos también se disuelven en el ácido y se filtran. Sin embargo, el silicio también reacciona con el ácido para generar SiHCl3 (triclorosilano) o SiCl4 (tetracloruro de silicio). Sin embargo, ambas sustancias se encuentran en estado gaseoso, por lo que después del decapado, las impurezas originales como el hierro y el aluminio se disuelven en el ácido, pero el silicio se vuelve gaseoso. Finalmente, el SiHCl3 o SiCl4 gaseoso de alta pureza se reduce con hidrógeno para obtener silicio policristalino de alta pureza.
El método CZ produce silicio monocristalino:las obleas de silicio se utilizan principalmente en chips lógicos y de memoria, con una cuota de mercado de alrededor del 95 por ciento; El método CZ se originó a partir del dibujo que Czochralski hizo de filamentos finos de metal fundido en 1918, por lo que también se le llama método CZ. Esta es la tecnología principal para el cultivo de silicio monocristalino en la actualidad. El proceso principal consiste en colocar silicio policristalino en un crisol, calentarlo para fundirlo y luego sujetar un cristal semilla de silicio monocristalino y suspenderlo sobre el crisol. Al tirarlo verticalmente, se inserta un extremo en la masa fundida hasta que se derrita, y luego se gira lentamente y se tira hacia arriba. De esta forma, la interfaz entre el líquido y el sólido se condensará gradualmente hasta formar un solo cristal. Dado que todo el proceso puede considerarse como un proceso de replicación del cristal semilla, el cristal de silicio generado es silicio monocristalino. Además, el dopado de la oblea también se lleva a cabo en el proceso de extracción del monocristal, normalmente en dopaje en fase líquida y dopaje en fase gaseosa. El dopaje en fase líquida se refiere a la adición de elementos tipo P o tipo N al crisol. Durante el proceso de extracción de monocristales, estos elementos se pueden introducir directamente en la varilla de silicio.
▲ Método monocristalino CZ Faraday
▲Varilla de silicona después de tirar del monocristal.
Diámetro de rodadura:Dado que es difícil controlar el diámetro de la varilla de silicio monocristal durante el proceso de extracción del monocristal, para obtener la varilla de silicio de diámetro estándar, como 6 pulgadas, 8 pulgadas, 12 pulgadas, etc. monocristal, se enrollará el diámetro del lingote de silicio. La superficie de la varilla de silicona después del laminado es lisa y el error de tamaño es menor.
Corte de biselado:Una vez obtenido el lingote de silicio, se corta la oblea. El lingote de silicio se coloca en una máquina cortadora fija y se corta según el programa de corte establecido. Dado que el espesor de la oblea de silicio es pequeño, el borde de la oblea de silicio cortada es muy afilado. El propósito del biselado es formar un borde liso. La oblea de silicio biselada tiene una tensión central más baja, lo que la hace más sólida y no es fácil de romper en la futura fabricación de chips.
Pulido:El objetivo principal del pulido es hacer que la superficie de la oblea sea más suave, plana y sin daños, y garantizar la consistencia del espesor de cada oblea.
Embalaje de prueba:Después de obtener la oblea de silicio pulida, es necesario probar las propiedades eléctricas de la oblea de silicio, como la resistividad y otros parámetros. La mayoría de las fábricas de obleas de silicio cuentan con servicios de obleas epitaxiales. Si se necesitan obleas epitaxiales, se llevará a cabo su crecimiento. Si no se necesita la oblea epitaxial, se empaquetará y enviará a otras fábricas de obleas epitaxiales o fábricas de obleas.
Método de fusión por zonas (FZ):Las obleas de silicio fabricadas con este método se utilizan principalmente en algunos chips de energía, con una cuota de mercado de alrededor del 4%; Las obleas de silicio fabricadas mediante FZ (método de fusión por zonas) se utilizan principalmente como dispositivos de energía. Y el tamaño de las obleas de silicio es principalmente de 8 y 6 pulgadas. Actualmente, alrededor del 15% de las obleas de silicio se fabrican mediante el método de fusión por zonas. En comparación con las obleas de silicio fabricadas con el método CZ, la característica más importante del método FZ es que tiene una resistividad relativamente alta, mayor pureza y puede soportar alto voltaje, pero es difícil fabricar obleas de gran tamaño y las propiedades mecánicas son pobres. por lo que se utiliza a menudo para obleas de silicio de dispositivos de alimentación y rara vez se utiliza en circuitos integrados.
Hay tres pasos para fabricar varillas de silicio monocristalino mediante el método de fusión por zonas:
1. Caliente el silicio policristalino, haga contacto con el cristal semilla y gírelo hacia abajo para extraer el cristal único. En una cámara de horno al vacío o en un entorno de gas inerte, utilice un campo eléctrico para calentar la varilla de silicio policristalino hasta que el silicio policristalino en el área calentada se derrita para formar una zona fundida.
2. Póngase en contacto con la zona fundida con el cristal semilla y derrítalo.
3. Al mover la posición de calentamiento del campo eléctrico, la zona fundida del polisilicio se mueve hacia arriba continuamente, mientras que el cristal semilla gira lentamente y se estira hacia abajo, formando gradualmente una varilla de silicio monocristalino. Debido a que el método de fusión por zonas no utiliza crisol, se evitan muchas fuentes de contaminación y el monocristal extraído mediante el método de fusión por zonas tiene las características de alta pureza.
▲ Estructura espacial monocristalina FZ Farad
▲Diagrama esquemático de extracción de monocristal FZ
2. Costo de fabricación
Las obleas de silicio semiconductor tienen mayores requisitos de pureza y propiedades eléctricas que las obleas de silicio de nueva energía, por lo que se requieren más pasos de purificación y suministro de materia prima en el proceso de fabricación, lo que da como resultado una gama más diversa de materias primas de fabricación. Por lo tanto, la proporción del coste del material de silicio se reduce relativamente, pero la proporción de los gastos de fabricación aumentará relativamente.
Para las obleas de silicio semiconductor, el costo de la materia prima es el costo principal y representa alrededor del 47% del costo comercial principal. El segundo son los gastos de fabricación, que representan alrededor del 38,6%. Al igual que la industria de fabricación de semiconductores, la industria de obleas de silicio es una industria intensiva en capital con una alta demanda de inversión en activos fijos, lo que generará altos gastos de fabricación debido a la depreciación de activos fijos como maquinaria y equipos. Finalmente, los costes laborales directos representan alrededor del 14,4%.
Entre los costos de materia prima de la fabricación de obleas de silicio, el polisilicio es la principal materia prima y representa alrededor del 30.7%. El segundo son los materiales de embalaje, que representan alrededor del 17,0%. Dado que las obleas de silicio semiconductoras tienen altos requisitos de limpieza y vacío, especialmente para las obleas de silicio, que se oxidan fácilmente, los requisitos de embalaje son mucho más altos que los de las obleas de silicio de nueva energía. Por tanto, en la estructura de costes, los materiales de embalaje representan una proporción elevada. Los crisoles de cuarzo representan aproximadamente el 8,7% del coste de la materia prima. El crisol de cuarzo utilizado en la fabricación de obleas de silicio semiconductor también es un crisol desechable, pero las propiedades físicas y térmicas del crisol son más exigentes. El líquido de pulido, la muela abrasiva y la almohadilla de pulido representan el 13,8% en total y se utilizan principalmente en el proceso de pulido de obleas de silicio.
▲ Estructura de costos operativos de la industria del silicio en 2018
▲Composición de materias primas de la industria del silicio en 2018
Los costos de agua y electricidad representan aproximadamente el 15% del costo de fabricación: en el costo de fabricación, los costos totales de agua y electricidad representan aproximadamente el 15% del costo total de fabricación, de los cuales los costos de electricidad representan aproximadamente el 11,4% y los costos de agua representan aproximadamente el 15% del costo de fabricación. alrededor del 3,4%. En términos de cantidades correspondientes, según los datos financieros de 2018 del Silicon Industry Group, el costo total de los costos de electricidad y agua es equivalente al costo de los materiales de embalaje, lo que representa aproximadamente la mitad del material de polisilicio. El coste de la electricidad es ligeramente superior al de los crisoles de cuarzo en aproximadamente un 20%.
▲Proporción de los costos de fabricación de la industria del silicio en 2018
▲ Composición parcial de costos de Silicon Industry Group en 2018 (Unidad: 10,000 yuanes)
3,Cuatro barreras para la fabricación de obleas de silicio
Las barreras a las obleas de silicio son relativamente altas, especialmente para las obleas de silicio semiconductoras. Hay cuatro barreras principales: barreras técnicas, barreras de certificación, barreras de equipos y barreras de capital.
▲ Las principales barreras para la industria de fabricación de obleas de silicio.
Barreras técnicas:Los indicadores técnicos de las obleas de silicio son relativamente grandes. Además del tamaño común, el espesor del pulido, etc., también existen deformaciones, resistividad, curvatura, etc. de las obleas de silicio. En términos de las obleas de silicio convencionales de 300 mm, debido a los requisitos de alta uniformidad de los procesos avanzados para las obleas de silicio, en comparación con las obleas de 200 mm, se agregan parámetros como planitud, deformación, curvatura y residuos metálicos en la superficie para monitorear los requisitos de calidad de las obleas de silicio de 300 mm. . En términos de pureza, las obleas de silicio de proceso avanzado deben tener alrededor de 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), que es la principal barrera técnica para los proveedores de obleas de silicio.
Las obleas de silicio son productos altamente personalizados; La pureza es el parámetro más básico de las obleas de silicio y también la principal barrera técnica. Además, las obleas de silicio no son productos universales y no se pueden copiar. Las especificaciones de las obleas de silicio grandes en varias fundiciones de obleas son completamente diferentes, y los diferentes usos de los distintos productos terminales también darán lugar a requisitos completamente diferentes para las obleas de silicio. Esto requiere que los fabricantes de obleas de silicio diseñen y fabriquen diferentes obleas de silicio según los diferentes productos del cliente final, lo que aumenta aún más la dificultad del suministro de obleas de silicio.
▲ Previsión de beneficios de los segmentos de negocio de la empresa.
Barreras de certificación:Los fabricantes de chips imponen requisitos estrictos sobre la calidad de las distintas materias primas y son muy cautelosos a la hora de seleccionar proveedores. Existen grandes barreras para ingresar a la lista de proveedores de fabricantes de chips. Por lo general, los fabricantes de chips requerirán que los proveedores de obleas de silicio proporcionen algunas obleas de silicio para la producción de prueba, y la mayoría de ellas se utilizan para obleas de prueba, no para obleas de producción en masa. Después de pasar las obleas de prueba, se producirán pruebas en pequeños lotes de obleas de producción en masa. Después de pasar la certificación interna, el fabricante del chip enviará los productos a los clientes intermedios. Después de obtener la certificación de su cliente, el proveedor de obleas de silicio quedará finalmente certificado y se firmará el contrato de compra. Se necesita mucho tiempo para que los productos de las empresas de obleas de silicio semiconductor ingresen a la cadena de suministro de los fabricantes de chips. El ciclo de certificación de nuevos proveedores dura al menos 12-18 meses.
Además, las barreras de certificación desde las obleas de prueba hasta las obleas de producción en masa: en la actualidad, la mayoría de las obleas de 12-pulgadas en China siguen estando en el suministro de obleas de prueba, pero los procedimientos de certificación para las obleas de prueba son completamente diferentes a los de las obleas de prueba. obleas de producción en masa y los estándares de certificación para obleas de silicio de producción en masa son más estrictos. Dado que las obleas de silicio de prueba no fabrican chips, solo necesitan ser certificadas por la propia fundición de obleas y solo deben estar certificadas en el sitio de fabricación actual. Sin embargo, en el caso de las obleas de silicio producidas en masa, deben ser certificadas por clientes sin fábrica de terminales y deben ser monitoreadas en todos los pasos de todo el proceso de fabricación antes de que puedan suministrarse en lotes. En términos generales, para mantener la estabilidad del suministro de obleas de silicio y el rendimiento del chip. Una vez que un fabricante de obleas y un proveedor de obleas de silicio establecen una relación de suministro, no cambiarán fácilmente de proveedor, y ambas partes establecerán un mecanismo de retroalimentación para satisfacer las necesidades personalizadas, y la rigidez entre los proveedores y los clientes de obleas de silicio seguirá aumentando. Si un nuevo fabricante de obleas de silicio se une a las filas de proveedores, debe ofrecer una relación de cooperación más estrecha y una mayor calidad de obleas de silicio que el proveedor original. Por lo tanto, en la industria de las obleas de silicio, la adherencia entre los proveedores de obleas de silicio y los fabricantes de obleas es relativamente grande, y es difícil para los nuevos proveedores romper la adherencia.
Barreras de equipos:El equipo principal para fabricar obleas de silicio es el horno monocristalino, que puede describirse como la "máquina de fotolitografía" en obleas de silicio. Los hornos monocristalinos de los principales fabricantes internacionales de obleas de silicio son fabricados por ellos mismos. Por ejemplo, los hornos monocristalinos de Shin-Etsu y SUMCO son diseñados y fabricados de forma independiente por la empresa o diseñados y fabricados a través de filiales holding, y otros fabricantes de obleas de silicio no pueden comprarlos. Otros importantes fabricantes de obleas de silicio tienen sus propios proveedores independientes de hornos monocristalinos y firman estrictos acuerdos de confidencialidad, lo que hace imposible la compra para los fabricantes externos de obleas de silicio, o solo pueden comprar hornos monocristalinos ordinarios, pero no pueden suministrar hornos monocristalinos de alta especificación. . Por lo tanto, las barreras de los equipos también son la razón por la que los fabricantes nacionales no pueden ingresar a los principales proveedores de obleas de silicio a nivel mundial.
Barreras de capital:El proceso de fabricación de obleas de silicio semiconductor es complejo y requiere la compra de equipos de producción avanzados y costosos, y también requiere modificaciones y depuraciones continuas de acuerdo con las diferentes necesidades de los clientes. Debido a los altos costos fijos, como la depreciación de los equipos, los cambios en la demanda posterior tienen un mayor impacto en la utilización de la capacidad de las empresas de obleas de silicio y, por tanto, en las ganancias de las empresas fabricantes de obleas de silicio. En particular, las empresas que acaban de entrar en la industria de las obleas de silicio casi se encontraban en una situación de pérdidas antes de alcanzar los envíos a gran escala y tienen altos requisitos de barreras de capital. Además, debido al largo ciclo de certificación de las fábricas de obleas de silicio, los fabricantes de obleas de silicio deben seguir invirtiendo durante este período, lo que también requiere muchos fondos.
3. Seguirá siendo el rey de los materiales semiconductores. En la actualidad, el mercado de obleas semiconductoras está dominado por los materiales de silicio. Los materiales de silicio representan alrededor del 95% de todo el mercado de semiconductores. Otros materiales son principalmente materiales semiconductores compuestos, principalmente obleas de GaAs de materiales semiconductores de segunda generación y obleas de SiC y GaN de materiales semiconductores de tercera generación. Entre ellos, las obleas de silicio son principalmente chips lógicos, chips de memoria, etc., y son los materiales de obleas semiconductoras más utilizados. Las obleas de GaAs son principalmente chips de RF y los principales escenarios de aplicación son bajo voltaje y alta frecuencia; Los materiales semiconductores de tercera generación son principalmente chips de alta potencia y alta frecuencia, y los principales escenarios de aplicación son alta frecuencia y alta potencia.
▲Relación de material de oblea
▲ Ámbito de aplicación de obleas de diferentes materiales.
Los semiconductores compuestos y los materiales de silicio no mantienen una relación competitiva, sino una relación complementaria; Las leyes de desarrollo de los materiales semiconductores (especialmente obleas, sustratos y materiales de obleas epitaxiales) incluyen tres rutas, a saber, tamaño, velocidad y potencia, y las tres rutas corresponden a los materiales semiconductores de primera, segunda y tercera generación.
▲ Comparación de rendimiento de materiales de primera/segunda/tercera generación
Materiales semiconductores de primera generación:Ruta de gran tamaño: los materiales semiconductores de primera generación se refieren a materiales de silicio. Los materiales de silicio son los primeros materiales de oblea desarrollados y también son los materiales con la tecnología más madura, el menor costo y la cadena industrial más completa en esta etapa. Al mismo tiempo, a medida que aumenta el tamaño de las obleas de silicio, disminuye el coste de un solo chip. Las principales áreas de aplicación son los chips lógicos y los campos de bajo voltaje y baja potencia. El tamaño de las obleas de silicio varía desde 2 pulgadas, 4 pulgadas, 6 pulgadas, 8 pulgadas, hasta la tecnología de oblea de 12-pulgadas convencional de hoy en día. Las empresas típicas de obleas de silicio incluyen Shin-Etsu Chemical, Sumco, etc. de Japón. En la actualidad, las principales fábricas de obleas internacionales utilizan materiales de silicio como principal material de producción.
▲Comparación de diferentes tamaños de oblea
Materiales semiconductores de segunda generación:ruta de alta velocidad. Dado que el chip debe poder soportar la conmutación de alta frecuencia en el circuito de RF, se inventó la oblea semiconductora de segunda generación. El campo de aplicación principal es el circuito de RF, y el campo de terminal típico es el chip de RF de terminales móviles como los teléfonos móviles. El semiconductor de segunda generación está representado principalmente por GaAs (arseniuro de galio) e InP (fosfuro de indio), entre los cuales GaAs es el material de chip de RF para terminales móviles comúnmente utilizado en la actualidad. Las empresas de fundición típicas incluyen Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo, etc., que son empresas de IDM con chips de RF. La corriente principal actual son las obleas de 4-pulgadas y 6-pulgadas.
Materiales semiconductores de tercera generación:Ruta de alta potencia: casi en el mismo punto de partida, con más oportunidades. La tercera vía es aumentar la potencia, lo que promoverá su aplicación generalizada en el campo de los circuitos de alta potencia. Los materiales principales son SiC y GaN. Las principales terminales son industriales, automotrices y otros campos. La ruta de energía desarrolló chips IGBT en materiales de silicio, mientras que los materiales de SiC (carburo de silicio) y GaN (nitruro de galio) tienen un rendimiento mayor que los IGBT. En la actualidad, las obleas de SiC miden principalmente 4-pulgadas y 6-pulgadas, y los materiales de GaN miden principalmente 6-pulgadas y 8-pulgadas. Las principales fundiciones del mundo incluyen Cree y Wolfspeed en Estados Unidos y X-Fab en Alemania. Sin embargo, en este campo, el desarrollo de los gigantes internacionales también es relativamente lento. Las empresas nacionales como Sanan Optoelectronics, aunque todavía existe una cierta brecha en el nivel tecnológico, se encuentran en la etapa inicial de toda la industria y es más probable que rompan el monopolio extranjero y ocupen un lugar en el mapa internacional de fundiciones de energía.
Los materiales compuestos requieren sustratos de silicio:Aunque actualmente existe una gran cantidad de chips de oblea de SiC y GaN, como los cargadores de GaN lanzados por Xiaomi, OPPO y Realme, y el modelo 3 lanzado por Tesla usa SiC MOSFET en lugar de IGBT. Sin embargo, para las obleas, la mayoría de los chips semiconductores compuestos de consumo actualmente utilizan obleas de silicio como sustratos y luego fabrican obleas epitaxiales compuestas y luego fabrican chips en obleas epitaxiales.
El coste de las obleas semiconductoras compuestas es relativamente alto:En la actualidad, debido a que la cadena de la industria de semiconductores compuestos está incompleta, la capacidad de producción de semiconductores compuestos es baja y el precio de las obleas de semiconductores compuestos es relativamente alto. Esto conduce a una baja aceptación por parte del usuario final, y la solución principal para la electrónica de consumo sigue siendo "sustrato de silicio + oblea epitaxial compuesta". En el campo de la automoción, los IGBT basados en silicio siguen siendo la solución principal. Los chips IGBT basados en silicio tienen bajos costos y una amplia gama de voltajes opcionales. El precio de los dispositivos MOSFET de SiC es de 6 a 10 veces mayor que el de los IGBT basados en silicio. Comparando los parámetros de rendimiento de SiC-MOSFET y Si-IGBT bajo los parámetros técnicos de 650V/20A de Infineon, SiC-MOSFET sigue siendo superior a Si-IGBT en términos de parámetros de rendimiento, pero en términos de precio, SiC-MOSFET es 7 veces mayor que Si-IGBT. Además, a medida que disminuye la resistencia de los dispositivos de SiC, el precio de SiC-MOSFET aumenta exponencialmente. Por ejemplo, cuando la resistencia de encendido es de 45 miliohmios, el SiC-MOSFET cuesta solo $ 57,6, cuando la resistencia de encendido es de 11 miliohmios, el precio es de $ 159,11 y cuando la resistencia de encendido es igual a 6 miliohmios, el precio ha alcanzado $310,98.
▲ Comparación de Infineon SiC-MOSFET y Si-IGBT
▲ Precio de Infineon SiC-MOSFET y relación de resistencia
4, los esfuerzos nacionales han creado un enorme potencial de mercado.
1. El mercado de obleas de silicio está entrando en un ciclo de crecimiento.
La proporción de materiales de fabricación de semiconductores ha aumentado año tras año. Los materiales semiconductores se pueden dividir en materiales de embalaje y materiales de fabricación (incluidas obleas de silicio y diversos productos químicos, etc.). A largo plazo, los materiales de fabricación de semiconductores y los materiales de embalaje siguen la misma tendencia. Sin embargo, desde 2011, con el desarrollo continuo de procesos avanzados, el consumo de materiales de fabricación de semiconductores ha aumentado gradualmente y la brecha entre los materiales de fabricación y los materiales de embalaje ha aumentado gradualmente. En 2018, las ventas de materiales de fabricación fueron de 32.200 millones de dólares, las ventas de materiales de embalaje fueron de 19.700 millones de dólares y los materiales de fabricación fueron aproximadamente 1,6 veces mayores que los materiales de embalaje. Entre los materiales semiconductores, los materiales de fabricación representan alrededor del 62% y los materiales de embalaje el 38%.
▲Proporción del consumo de material semiconductor en 2018
▲ Relación de costo del material de fabricación de semiconductores
Las obleas de silicio son los mayores consumibles en la fabricación de semiconductores; entre los materiales de fabricación, las obleas de silicio, como materia prima para los semiconductores, representan la mayor proporción, alcanzando el 37%. Desde 2017, con la derrota de Lee Sedol a manos de "AlphaGo", las nuevas tecnologías estrella lideradas por la inteligencia artificial han sido las principales tecnologías que han impulsado el desarrollo de los semiconductores a nivel mundial. En particular, en 2018, la demanda mundial de memoria aumentó, junto con el estallido de la tecnología blockchain, y la demanda de obleas de silicio alcanzó un récord. El aumento de los envíos mundiales de semiconductores también ha impulsado el rápido aumento de los envíos de obleas de silicio. En términos de envíos, en 2018, el área mundial de envío de obleas de silicio superó por primera vez los 10 mil millones de pulgadas cuadradas, alcanzando los 12,7 mil millones de pulgadas cuadradas. En 2019, debido a las fricciones comerciales en la primera mitad del año, el área de envío disminuyó a 11,8 mil millones de pulgadas cuadradas. En términos de facturación del mercado, las ventas del mercado global en 2018 fueron de 11.400 millones de dólares y en 2019 alcanzaron los 11.200 millones de dólares.
▲2009-2019 Área de envío global de obleas de silicio
▲2009-2019 Ventas globales de obleas de silicio
Desde la perspectiva de la segmentación de obleas, debido al alto costo de los materiales semiconductores de segunda y tercera generación y al hecho de que la mayoría de los semiconductores compuestos se basan en obleas de silicio, las obleas de silicio representan el 95% de los sustratos de obleas a nivel mundial. Desde la perspectiva de los tamaños de oblea específicos, las obleas de 12-pulgadas son el principal tipo de obleas de silicio a nivel mundial. En 2018, las obleas de 12-pulgadas representaron el 64% de los envíos mundiales de obleas de silicio, y las obleas de 8-pulgadas representaron el 26%.
▲Proporción de envío de obleas de silicio por tamaño
Desde la perspectiva de las aplicaciones terminales, el consumo global de obleas de 12-pulgadas proviene principalmente de chips de memoria, donde la memoria Nand Flash y DRAM representa alrededor del 75% en total, de los cuales Nand Flash consume alrededor del 33% de las obleas, y Nand flash tiene el 35% del mercado descendente en el mercado de teléfonos inteligentes. Se puede observar que el aumento de los envíos y la capacidad de los teléfonos inteligentes es el principal factor que impulsa el envío de obleas de 12-pulgadas. Entre las obleas de 12-pulgadas, los chips lógicos representan aproximadamente el 25%, la DRAM representa aproximadamente el 22,2% y otros chips como los CIS representan aproximadamente el 20%.
2. El mercado chino de obleas de silicio semiconductor tiene un enorme espacio
El mercado de materiales semiconductores de China ha crecido de manera constante. En 2018, las ventas mundiales de materiales semiconductores alcanzaron los 51.940 millones de dólares, un aumento interanual del 10,7%. Entre ellas, las ventas de China ascendieron a 8.440 millones de dólares. A diferencia del mercado global, las ventas de materiales semiconductores de China han estado creciendo desde 2010 y han crecido a una tasa de más del 10% durante tres años consecutivos entre 2016 y 2018. El mercado mundial de materiales semiconductores se ve muy afectado por factores cíclicos, especialmente en Taiwán. , China y Corea del Sur, donde las fluctuaciones son grandes. Los mercados norteamericano y europeo se encuentran casi en un estado de crecimiento cero. Los materiales semiconductores japoneses han estado en un estado de crecimiento negativo durante mucho tiempo. A nivel mundial, sólo el mercado de materiales semiconductores de China continental se encuentra en una ventana de crecimiento a largo plazo. El mercado chino de materiales semiconductores contrasta marcadamente con el mercado mundial.
▲Ventas mundiales de materiales semiconductores y tasa de crecimiento (en miles de millones de dólares estadounidenses)
▲Ventas anuales de materiales semiconductores por país y región (Unidad: miles de millones de dólares estadounidenses)
Los materiales semiconductores globales se están trasladando gradualmente al mercado de China continental. De la participación de ventas de varios países y regiones, los tres principales países o regiones representaron el 55% en 2018, y el efecto de concentración regional es evidente. Entre ellos, Taiwán, China, representa alrededor del 23% de la capacidad de producción mundial de obleas, lo que la convierte en la región con la mayor capacidad de producción del mundo. Sus ventas de materiales semiconductores ascienden a 11.400 millones de dólares, lo que representa el 22% del mundo, ocupando el primer lugar, y ha sido la región de mayor consumo de materiales semiconductores del mundo durante nueve años consecutivos. Corea del Sur representa alrededor del 20% de la capacidad mundial de producción de obleas, con ventas de materiales semiconductores por valor de 8.720 millones de dólares, lo que representa el 17%, ocupando el segundo lugar. China continental representa alrededor del 13% de la capacidad de producción mundial, con ventas de materiales semiconductores por 8.440 millones de dólares, lo que representa alrededor del 16% del mundo, ocupando el tercer lugar. Sin embargo, a largo plazo, la cuota de mercado de los materiales semiconductores en China continental ha aumentado año tras año, del 7,5% en 2007 al 16,2% en 2018. Los materiales semiconductores mundiales se están desplazando gradualmente al mercado de China continental.
▲ Participación de ventas por país y región en 2018
▲ Ventas y participación de materiales semiconductores en China continental (en miles de millones de dólares estadounidenses)
La capacidad de producción mundial de obleas marcará el comienzo de un crecimiento explosivo. La fábrica de obleas de 12-pulgadas, que representa la tecnología más avanzada en las fábricas de obleas actuales, alcanzó su punto máximo en construcción entre 2017 y 2019, con un promedio de fábricas de obleas de 8 12-pulgadas añadidas cada año en todo el mundo. Se estima que para 2023 habrá fábricas de obleas de 138 12-pulgadas en el mundo. Según las estadísticas de IC Insight, debido a la incertidumbre de la guerra comercial entre China y Estados Unidos en la primera mitad de 2019, las principales fábricas de obleas de todo el mundo pospusieron sus planes de aumento de capacidad, pero no los cancelaron. Con la recuperación del comercio chino-estadounidense en la segunda mitad de 2019 y el estallido del mercado 5G, la capacidad de producción mundial de obleas en 2019 aún mantuvo un aumento de 7,2 millones de piezas. Sin embargo, con la llegada de la ola de reemplazo del mercado 5G, la capacidad de producción mundial de obleas marcará el comienzo de un período máximo de aumento de 2020 a 2022, con un aumento en tres años de 17,9 millones de piezas, 20,8 millones de piezas y 14,4 millones de piezas respectivamente, y establecerá un récord en 2021. Estas capacidades de obleas estarán en Corea del Sur (Samsung, Hynix), Taiwán (TSMC) y China continental (Yangtze River Storage, Changxin Storage, SMIC, Huahong Semiconductor, etc.). China continental representará el 50% del aumento de capacidad.
▲Número de 12-fabricas de obleas de pulgadas en todo el mundo, 2002-2023
▲ Aumento de la capacidad de producción global (unidad: millones de piezas/año, equivalente a 8-pulgadas de oblea)
La construcción de fábricas de obleas en China continental marcará el comienzo de un período de rápido crecimiento. Desde 2016, China continental ha comenzado a invertir activamente en la construcción de fábricas de obleas y se ha desencadenado una ola de construcción de fábricas. Según las previsiones de SEMI, entre 2017 y 2020 se construirán y pondrán en producción en el mundo 62 fábricas de obleas, de las cuales 26 estarán en China, lo que representa el 42% del total. El número de construcciones en 2018 fue 13, lo que representó el 50% de la ampliación. El resultado de la expansión seguramente conducirá a un aumento en el gasto de capital y en el gasto en equipo para las fábricas de obleas. Según SEMI, para 2020, la capacidad instalada de fábricas de obleas en China continental alcanzará el equivalente a 4 millones de pulgadas de obleas por mes, en comparación con 2,3 millones en 2015, con una tasa de crecimiento compuesto anual del 12%, que es mucho mayor que en otras regiones. Al mismo tiempo, el Gran Fondo Nacional también ha invertido mucho en la industria de fabricación de semiconductores. En la primera fase de la inversión del Gran Fondo, la industria manufacturera representó hasta el 67%, cifra muy superior a la industria del diseño y la industria del embalaje y las pruebas.
▲2010-2020 Inversión en fábricas de obleas semiconductoras de China (Unidad: 100 millones de dólares)
▲ Ratio de inversión de la primera fase del Gran Fondo Nacional
A finales de 2019, todavía hay 9 8-fabricas de obleas de pulgadas y 10 12-fabricas de obleas de pulgadas en construcción o en planificación en China. Además, dado que la mayoría de las fábricas de obleas de 12-pulgadas de China se encuentran actualmente en producción de prueba o en producción en pequeños lotes, se encuentran en el límite inferior de su capacidad de producción. Después de obtener la verificación del producto por parte de los clientes y la verificación del mercado, la capacidad de producción entrará en una fase de aumento y habrá una enorme demanda de materias primas ascendentes.
▲Nuevas fábricas de obleas en China
La popularidad del 5G ha provocado un aumento del contenido de silicio de los terminales: desde la era de los smartphones a partir del iPhone 3, hasta los teléfonos móviles 4G representados por el iPhone 5 y, finalmente, hasta la era actual de los teléfonos móviles 5G. El contenido de silicio de los teléfonos móviles sigue aumentando. Según el análisis de costos de materiales de los teléfonos móviles realizado por organizaciones de desmantelamiento como Tech Insights e iFixit, el valor unitario de los principales chips de los teléfonos móviles, como los procesadores de teléfonos móviles (AP), los chips de procesamiento de banda base (BP), la memoria (Nand flash , DRAM), módulos de cámara (CIS), chips de radiofrecuencia (RF), chips de administración de energía (PMIC), chips Bluetooth/wifi, etc., han mostrado un aumento gradual y la proporción del valor total de la unidad ha aumentado. año tras año. Aunque en la etapa del iPhone X la proporción de chips disminuyó debido a los cambios en la pantalla, con la posterior optimización continua, la proporción de costos de chips también ha aumentado año tras año. En la era del iPhone 11 pro max, el pico de los teléfonos móviles 4G, la proporción de chips principales alcanzó el 55% y el valor de una sola unidad es de aproximadamente 272 dólares estadounidenses. En la evolución del iPhone 3 al iPhone 11 Pro Max, la cámara del teléfono móvil pasó de un solo disparo a 3 disparos, la memoria del cuerpo aumentó de 8 GB a 512 GB, la proporción de contenido de silicio por unidad aumentó del 37% al 55%. , y el valor por unidad ha aumentado de 68 dólares EE.UU. a 272 dólares EE.UU.
2020 es el primer año de producción en masa de teléfonos móviles 5G. Según el análisis de desmontaje de los teléfonos móviles Samsung S20 y Xiaomi 10 que se lanzaron, el valor y la proporción de los chips principales por unidad han aumentado aún más en comparación con los teléfonos móviles 4G. Para Samsung, los chips principales representan el 63,4% del coste total del material, y el valor por unidad ha alcanzado los 335 dólares, un 23% más que el iPhone 11 Pro Max. Para Xiaomi, la proporción de chips principales es aún mayor, alcanzando el 68,3%, y el valor por unidad de chips principales también ha alcanzado los 300 dólares estadounidenses. Según el desmontaje de Samsung S20 y Xiaomi 10, se estima que los chips principales de los teléfonos móviles 5G iniciales representarán entre el 65% y el 70%, y el valor de una sola máquina rondará los US${{18} }.
▲ Desglose de costos de la lista de materiales de los teléfonos inteligentes convencionales
▲ Relación de costos de los principales chips en diferentes teléfonos móviles
La construcción de fábricas de obleas aumenta la demanda de obleas de silicio: la ampliación de la capacidad de las fábricas de obleas conducirá inevitablemente a un aumento de la demanda de obleas de silicio. En la actualidad, China ha invertido mucho en fábricas de obleas, formando una industria de memoria dominada por Yangtze Memory Technologies y Hefei Changxin, una industria de chips lógicos dominada por SMIC, una línea de producción de procesos especializados dominada por Huahong Semiconductor y Jetta Semiconductor, y una fundición de dispositivos de energía. dominado por China Resources Microelectronics y Silan Microelectronics. En la actualidad, la tasa de crecimiento de las ventas de obleas de silicio en China continental en 2017/2018 es superior al 40%. Y, beneficiándose de la tendencia de grandes inversiones de fondos y sustitución nacional, las fábricas de obleas transformadoras han ampliado completamente su capacidad de producción, impulsando un aumento en la demanda de obleas de silicio ascendentes. Según las previsiones de SUMCO, en 2020, la demanda de obleas de silicio de 8-pulgadas en China continental será de unas 970,000 piezas, y las obleas de 12-pulgadas alcanzarán 1,05 millones de piezas.
▲ Tasa de crecimiento y ventas de obleas de silicio en China continental (Unidad: miles de millones de dólares)
▲ Cambios en la demanda de obleas de silicio en China continental (unidad: 10,000 piezas/mes)
El ciclo de aumento de precios + el proceso avanzado promueve el aumento de "precio": según el cálculo histórico del precio de las obleas de silicio, actualmente se encuentra al comienzo de una nueva ronda de ciclo de aumento de precios. Del 2009 al 2011, los teléfonos inteligentes se hicieron populares rápidamente, el contenido de silicio de los teléfonos móviles aumentó y el precio del silicio por unidad de superficie siguió aumentando, alcanzando 1,09 dólares por pulgada cuadrada en 2011. Posteriormente , con el aumento del inventario de obleas de silicio y la disminución de las ventas de teléfonos inteligentes, el precio de las obleas de silicio por unidad de superficie siguió cayendo y alcanzó su punto más bajo en 2016, de 0,67 dólares por pulgada cuadrada. En 2016, "AlphaGo" de Google derrotó a Lee Sedol, permitiendo que la inteligencia artificial entrara en el escenario de la historia. La demanda mundial de obleas de silicio aumentó, entrando en una nueva ronda de ciclo de aumento de precios. Con el lanzamiento de los teléfonos móviles 5G en 2019, el precio de las obleas de silicio por unidad de superficie alcanzó los 0,94 dólares. Con el lanzamiento a gran escala de teléfonos móviles 5G en 2020, que impulsará la demanda mundial de obleas de silicio, se espera que haya 2-3 años de espacio para aumentos de precios en el futuro.
Los procesos avanzados hacen subir los precios; Las obleas de silicio semiconductor son el material base para la fabricación de chips y cualquier fluctuación en la calidad tendrá un impacto grave en los chips. Con el desarrollo continuo de procesos avanzados, los requisitos de impurezas para las obleas de silicio semiconductor son cada vez mayores. Los mayores requisitos hacen que el proceso de fabricación de obleas de silicio sea cada vez más difícil, por lo que el precio es cada vez más alto. Por ejemplo, para la misma oblea de silicio de 12-pulgadas, el precio de las obleas de silicio de proceso de 7 nm es 4,5 veces el precio de las obleas de silicio de 90 nm. En la actualidad, las fábricas de obleas en China continental se construyen principalmente con obleas de 12-pulgadas, y el precio de las obleas de silicio es mucho más alto que el de las obleas de 8-pulgadas. Al mismo tiempo, las fundiciones de chips lógicos representadas por SMIC y Huahong Semiconductor han transferido gradualmente el proceso de 28 nm a 16/14 nm, lo que ha aumentado el precio general de las obleas de silicio.
Desde que se abrió por primera vez en el mundo la línea de fabricación de 12-pulgadas en el año 2000, la demanda del mercado ha aumentado significativamente. En 2008, el volumen de envío superó por primera vez las obleas de silicio de 8-pulgadas, y en 2009 superó la suma del área de envío de obleas de silicio de otros tamaños. De 2016 a 2018, debido al floreciente desarrollo de los mercados emergentes como la inteligencia artificial, la computación en la nube y la cadena de bloques, la tasa de crecimiento anual compuesta de las obleas de silicio de 12-pulgadas fue del 8 %. En el futuro, la cuota de mercado de las obleas de silicio de 12-pulgadas seguirá aumentando. Según datos de SUMCO, todavía habrá una brecha en la oferta y la demanda global de obleas de silicio de 12-pulgadas en los próximos 3-5 años, y la brecha será cada vez mayor a medida que aumente la prosperidad del semiconductor. el ciclo aumenta. Para 2022, habrá una diferencia de 1000.000/mes. Como base de fabricación de semiconductores emergente en el mundo, la enorme brecha de obleas de silicio de China promoverá la velocidad de localización de obleas de silicio.
Según las estadísticas de SUMCO, el monto de las ventas de obleas de silicio en China continental en 2018 fue de aproximadamente 930 millones de dólares, un aumento interanual del 45%, lo que lo convierte en el mercado de obleas de silicio de más rápido crecimiento en el mundo. Beneficiándose de los planes de expansión de grandes fábricas de obleas como Yangtze Memory, SMIC y Changxin Storage en 2020-2022. Se estima que para finales de 2022, la demanda de obleas de silicio equivalentes de 12-pulgadas en China continental alcanzará los 2,01 millones por mes, con un espacio de mercado de 20 mil millones de yuanes.
Sibranch cree que, como receptor de la tercera transferencia de la industria de semiconductores, la participación de ventas de semiconductores de China en el mercado global sigue aumentando. Además, mi país es el mayor productor, exportador y consumidor de productos electrónicos de consumo del mundo y tiene una gran demanda de productos semiconductores. Por tanto, el nivel de localización tendrá un gran impacto en la seguridad industrial. Como la variedad más grande y básica en el mercado de materiales para la fabricación de obleas, mi país tiene deficiencias en el campo de las obleas de silicio, y esto es más prominente en las obleas de silicio grandes. Sin embargo, con el apoyo de políticas y fondos nacionales, muchas empresas chinas han planificado líneas de producción y han dispuesto grandes obleas de silicio semiconductor.
