《全球硅晶圆供应告急!12英寸99%依赖进口,晶圆自给任重道远!》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: tengfei
  • 发布时间:2017-11-20
  • 硅晶圆供需缺口越来越大

    据悉,硅晶圆一直是我国半导体产业链的一大短板,目前国内企业只能达到4~6英寸硅片的性能需要,并少量供应8英寸市场,12英寸硅晶圆基本是空白。

    然而一旦供需失衡,未来国内一些新建的晶圆制造企业或者中小型晶圆厂就有可能陷入产能开出却无晶圆可用的尴尬局面。

    物联网及车用电子显然带动了2015——2020年半导体市场成长,全球硅晶圆市场,8寸与12寸硅晶圆产品因需求极度热络强劲。目前,台积电、联电等代工龙头企业日前已与日本信越(ShinEtsu)、SUMCO等硅晶圆主要供应商签订1~2年短中期合约,其中12英寸硅片签约价已提高到每片120美元,相比去年年底的75美元上涨60%。

    12英寸缺货已成国内企业一大“心病”

    硅晶圆,简单的说就是指制造半导体集成电路所需的硅芯片,由于形状是圆形,所以称为晶圆。其价格在去年触到了近11年来的低点,随后缓慢企稳回暖。进入2017年,全球硅晶圆各大供应商开始进入缺货状态,包括中芯、三星等企业均开始出手大抢货源,中小企业更是不惜加价购买。

    去年国内企业在4~6英寸硅片(含抛光片、外延片)上的产量约为5200万片,基本可以满足国内4~6英寸的晶圆需求。

    具备8英寸硅片和外延片生产能力的则有浙江金瑞泓、昆山中辰(台湾环球晶圆子公司)、北京有研总院、河北普兴、南京国盛、中国电科46所以及上海新傲,合计月产能为23.3万片/月。

    至于12寸硅晶圆片,目前我国还不具备生产能力,只能依赖进口。

    发展国内硅晶圆供应刻不容缓

    目前,全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,但国内的产量几乎为零。显然,硅晶圆的短缺,已成为国内一个刻不容缓的难题。

    而国内厂商也在加紧增加多条先进半导体芯片厂,同时也开始了国际化进程。此前福建宏芯就曾有意收购全球第四大硅晶圆供应商德国Silitronic公司,但由于其他一些因素而没有成功。

    不过,虽然目前我国在半导体硅晶圆制造工艺上还不足以与国外厂商抗衡,但随着中国在半导体领域的投入,尤其以北方华创、中微、福建宏芯、上海新昇等为代表的厂商的崛起,我国企业必将打破国外垄断。

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    • 编译者:tengfei
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    • 市场研究机构IC Insights近日公布了最新的2016~2020年全球晶圆产能报告,显示全球营运中的12寸(300mm)晶圆厂数量持续成长,预期在2016年可达到100座。 IC Insights报告中其他关于12寸晶圆厂重点还包括: 有几座预定2013年开幕的晶圆厂延迟到了2014年;而随着台湾业者茂德(ProMOS)的两座大型12寸厂在2013年关闭,导致营运中的12寸晶圆厂数量在2013首度减少。 截至2015年底,全球有95座量产级的IC厂采用12寸晶圆(有大量研发晶片厂以及少数生产非IC产品,例如CMOS影像感测器的量产晶圆厂,但不包括在统计中)。 目前全球有8座12寸晶圆厂预计2017年开幕,有可能使该年度成为自2014年有9座晶圆厂开始营运以来,第二个有最多数量晶圆厂开始营运的年份。 到2020年底,预期全球将有再22座的12寸晶圆厂营运,让全球应用于IC生产的12寸晶圆厂总数达到117座。而如果18寸(450mm)晶圆迈入量 产,12寸晶圆厂的高峰数量可达达到125座左右;而营运中8寸(200mm)量产晶圆厂的最高数量则是210座(在2015年12月为148座)。 12寸晶圆厂数量持续成长 今日的12寸晶圆厂可以很巨大,但它们以一种模组化的格式装备;每个“模组”通常具备每月25K~45K晶圆片的产能,并与最接近的晶圆厂模组紧密连结;台积电(TSMC)已经将这种模组化方案最佳化,其Fab 12、14与15等据点都是分阶段扩张。 而18寸晶圆技术持续迈向量产,尽管其步伐不愠不火;而因为微影技术是转移至18寸晶圆最大的挑战之一,设备业者ASML在2014年3月宣布将暂时延迟18寸晶圆设备的开发,有产业界人士认为这是个18寸晶圆可能永远部会发生的征兆。 此外ASML还指出,其延迟18寸晶圆设备开发的决定是基于客户的要求。IC Insights并不认为这意味着18寸晶圆将胎死腹中,不过该尺寸晶圆的试产可能要到2019年以后才会发生,而量产则还要再2~3年。 全球不同尺寸硅片市场现状及发展预测 (全球不同尺寸硅片市场前景预测) 300mm硅片也就是12英寸硅片,自2009年起成为全球硅圆片需求的主流(大于50%),预计2017 年将占硅片市场需求大于75%的份额。12寸的流片工艺是半导体制造中的很重要的工艺,所以我们现在也看到,大陆新建的晶圆代工厂,大多是12寸的工厂,其次还有一些使用二手设备的8寸的工厂,但6寸以下的新晶圆代工厂几乎没有。 截止2014年,全球300mm硅片实际出片量已占各种硅片出片量的65%左右,平均约450万片/月。2015年第1~第2季度每月平均需求量约500万片。目前,12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸(16nm和14nm)的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片。 2014年,在前十大的300mm晶圆需求厂商中,使用量最大的是三星,主要用于制作存储器和逻辑芯片,第二大是美光,只做存储器,第三大是Toshiba和SanDisk的公司,也基本上都是逻辑产品, 第四大的使用者是海力士,几乎全是存储器,而第五大使用者是台湾的台积电(TSMC),几乎全部用作逻辑芯片,英特尔是第六大使用量。在前十大使用量中,台积电,联电(UMC),Powerchip等,12寸硅片代工和存储器,华人做的很不错。而我们国内对12寸硅片的需求量,也开始起来了,从半导体市场的需求量来看,大概从2004年开始,中国的需求量已经超过美国成为全球半导体需求最大的国家,2010年左右,中国大陆半导体的需求量占全球的50%,2016年,基本占全球需求量的60%。 大陆半导体需求量非常大,我们自己的IC(集成电路)产业生产量不够,所以现在IC(集成电路)已经成为中国大陆进口额最多的单一项目,连续数年超过了石油的进口额。中国作为IC(集成电路)的使用大国,生产却量能不够,过多依赖进口,因此,目前国家成立的集成电路产业投资基金(大基金)及地方政府成立的集成电路专项基金,目的就是加速集成电路产业的发展和提升。 在2000年左右,国内IC(集成电路)生产可供应大约6-8%的国内需求,也就是超过90%依赖进口。到中芯国际建立后加上其它同行,国内整体可以供应15%的国内IC(集成电路)需求量。但从大概2006年至今,供应量虽然加大了不少,但需求量也同步增加,国内IC自我供应的百分比依然维持在15%左右。政府也较为关心IC行业发展,希望在2025年前,国内IC行业的自给率能够达到至少50%。 而集成电路制造目前基本上是12寸,而且工艺都是40nm以下,2025年左右应该可以做到10nm甚至以下(尺寸)更先进工艺量产。其中,28nm在2017-2018年将会是主力,20nm的比重增加,而16nm和14nm难度很大,量产的数量还不太多,但预计2019年16nm和14nm应该会大规模量产,28nm的产品工艺会转到16nm或14nm的工艺产品线,28nm工艺产量会慢慢下降。但是由于28nm是寿命较长的技术,2019年之后28nm工艺需求依然会很高,国家也因此希望加快研发并量产28nm的硅片(300mm大硅片),这是一个很好的机会。 目前的问题在于,最上游的是设计公司,这在我们国内现在发展地相当不错,有几家公司都可以设计到16nm、14nm;但生产方面,上游材料IC等级的多晶硅目前还没有,但马上就会有了,已经有几家企业在立项推进。多晶硅的原材料,高纯度的石英,目前已知的全世界的储量,中国最多,品质最好,但我们之前却是将石英还原成金属硅后低价外销,再高价进口多晶硅,并且石英还原成金属硅的阶段是高度污染的。好在之前太阳能产业带动了国内多晶硅产业的发展,目前太阳能等级的多晶硅,我国的产量已经是全球第一了。 太阳能等级的多晶硅纯度为99.9999%,总共6个“9”,现在做的好一点的在7-8个“9”而半导体等级要11个“9”,目前国内实验室可以做少量的半导体级的,但要做几吨单晶,目前还做不到。所以国家对此也很重视,02专项里就有立项解决半导体等级的多晶硅量产问题,预计大概在2-3年内可以做到11个“9”的多晶硅的量产,大致可以满足国内产业链的需求。 但是IC产业链中,多晶硅的下游环节:做成IC等级的晶棒和硅片,还是目前我们国家IC产业链缺失的重要一环。 目前,在产业链后端,国内IC Wafer Fabrication已经起来,封装测试海峡两岸已是全球第一,这方面大陆的进展比台湾还要快些;另外,产品组装已是世界第一,例如iPhone;End-user consumers亦是全球第一。国内IC产业链后端很强,前端反而弱些。 现在300mm半导体级的硅片,国内一个月需求量约45-50万片,而目前国内的产量几乎为零,这是产业链上最为紧缺的一环。而这一环,全球日本生产的最多,日本信越和SUMCO,这两家的产能和实际供应量总和占全球2/3以上。300mm半导体级的大硅片,不仅是产业链缺失的重要一环,也是国家安全战略发展的需要。 国家在2012--2013年,科技部的02专项中,已有大硅片方面项目的经费准备,但迟迟不能发出项目,原因就是虽然有国内研发机构曾经做过12寸大硅片,研发成功,但由于良率不高还不能量产。2014年,科技部02专项的领导也与我们沟通过,要求是不仅研发成功,更要量产成功。量产的概念不是几千片,是每个月10万片以上交付客户,连续6个月交付客户10万片以上,才算完成项目。
  • 《中国半导体晶圆制造材料产业分析》

    • 来源专题:集成电路
    • 编译者:tengfei
    • 发布时间:2017-11-20
    • 半导体晶圆制造材料和晶圆制造产能密不可分,近年随着出货片数成长,半导体制造材料营收也由2013年230亿美元成长到2016年的242亿美元,年复合成长率约1.8%。从细项中可看出硅晶圆销售占比由2013年35%降到2016年的30%。 与先进制程相关的光阻和光阻配套试剂(用来提升曝光质量或降低多重曝光需求的复杂度),以及较先进Wafer后段所需的CMP制程相关材料销售占比则提升,可见这几年材料需求的增长和先进制程的关联性相当高。  图:2013年与2016年晶圆厂制造材料分占比 此外,从2016年晶圆制造材料分类占比可看出,硅晶圆占比最大为30%,随着下游智能终端机对芯片性能的要求不断提高,对硅晶圆质量的要求也同样提升,再加上摩尔定律和成本因素驱使,硅晶圆稳定向大尺寸方向发展。目前全球主流硅晶圆尺寸主要集中在300mm和200mm,出货占比分别达70%和20%。 从硅晶圆面积需求的主要成长来自300mm来看,也证实在晶圆制造中,较先进的制程还是主要的需求成长来源;此外,硅晶圆在2013~2016年出货面积年复合成长率达5.8%,高于硅晶圆产业同时期的营收成长率,可见硅晶圆平均价格显著下滑。 由于硅晶圆是晶圆制造的主要材料,在此轮半导体产业复甦中,特别是在中国芯片制造厂积极扩张产能下,预计短期内硅晶圆产业将同步受益。 根据2016年全球主要硅晶圆厂商营收资料,前六大厂商全球市占率超过90%,其中前两大日本厂商Shin-Etsu和SUMCO合计全球市占率超过50%,台湾环球晶圆由于并购新加坡厂商SunEdison Semiconductor,目前排名全球第三,2016年销售占比达17%。 中国半导体材料分类占比市场状况与全球状况类似,硅晶圆和封装基板分别是晶圆制造和封装材料占比最大的两类材料。从增长趋势图可看到2016~2017年中国半导体材料市场快速增长,无论是晶圆制造材料还是封装材料,增长幅度都超过10%。 图:2012~2017年中国晶圆制造材料市场变化 中国晶圆制造材料中,关键材料主要仍仰赖进口,但随着政府政策大力支持和大基金对产业链持续投入,已出现如上海新升半导体、安集微电子、上海新阳与江丰电子等颇具实力的厂商。 这些厂商在政策支援下,积极投入研发创新,各自开发的产品已初见成效,现已成为中国半导体材料产业中坚力量。根据中国新建晶圆厂和封测厂的建设进程,多数建设中的产线将在2018年陆续导入量产,届时对应的上游半导体材料产业将出现新一轮爆炸性成长。 1 中国半导体制造材料产业发展趋势 在中国国家政策支持下,大基金和地方资本长期持续投入,中国集成电路产业快速发展,官方目标是以「制造」带动上下游全产业链共同进步,在此过程中,需要不断完善和优化产业链各环节,掌握核心环节重点突破,逐步摆脱核心领域长期依赖进口的窘境。 半导体材料产业具有产品验证周期长和龙头垄断等特点,想要顺利打入国际一线客户厂商将非常困难,一般芯片生产商在成功认证材料商后,很少会更换供应商,例如全球前六大硅晶圆厂商几乎供应全球90%以上的硅晶圆,中国集成电路硅晶圆基本上全部依赖进口。 中国半导体材料厂商要想尽快打入市场,不仅要加强研发和拿出高质量产品,还要在政府的支持和协调下,优先从当地芯片制造厂商着手,完成在当地主流芯片生产厂商的成功认证,从而进一步实现以中国国产替代进口。 对内资源重整是中国半导体材料产业未来发展重要趋势,综观中国半导体材料厂商,对应下游产品普遍倾向中低阶,且分布繁杂分散,即便在中低阶材料供应上,内部也容易出现恶性竞争;而不仅在核心材料如光阻、硅晶圆片与光罩等材料上,落后于世界先进水平,在常用试剂材料上,也仅有少数厂商能达到下游一线厂商的稳定标准。 目前中国半导体产业拥有良好的发展机会,政策和资金的大力支持吸引大批厂商集中参与,很多厂商纷纷表明进行产业升级的决心,如许多中小型的太阳能电池板厂商纷纷表示要进军电子级硅晶圆片产业,但电子级硅晶圆材料比电池用硅晶圆纯度高出好几个数量级,两者并不在同一个技术水平,况且太阳能电池板厂商下游与半导体产业链相差甚远,所有的使用者关系需重新建立,也不利于后期产品的认证和销售。 这些问题都需要半导体材料产业集中优势资源,针对各类别半导体材料,以一部分大厂为首,进行资源再整合。 2 中国半导体材料产业面临严峻挑战 现阶段政府政策积极引导,大基金和地方资本支撑,为中国半导体材料产业解决前期资金问题,但钱不一定能买来技术、人才与市场,因此后期中国半导体材料产业将面对更多来自技术、人才与客户认证等方面的严峻挑战。 · 技术挑战 目前中国半导体材料技术方面,挑战主要集中在大硅晶圆、光阻与光罩材料等领域。 在硅晶圆方面,中国主要生产的是6吋硅晶圆,8吋自给率不到20%,12吋硅晶圆以上海新升半导体为首,正处于客户验证阶段,技术水平和产品稳定性仍面临严格考验; 光阻中国产厂商北京科华(合资)和苏州瑞红的产品多应用于LED、面板及部分8吋Fab等中低阶领域; 全球光罩基材基本由日本厂商垄断,Photronic、大日本印刷株式会社与凸版印刷3家的全球市占率达80%以上。 事实上,材料产业相关基础专利技术早已被国际大厂垄断,而基础专利又是材料产业必备要素,同时国外厂商又不愿将专利出售给中国,因此在基础专利瓶颈的突破上进度缓慢。 · 人才挑战 突破技术的关键在于人才。近期关于中国集成电路产业人才短缺和人才挖角有诸多讨论,根据统计,截止2020年中国集成电路产业中高阶人才缺口将突破10万人,中国半导体材料产业多年来发展缓慢,与其人才储备严重不足息息相关。目前政府已为半导体材料产业清除政策和资金障碍,下一步将着重解决人才引进和人才培养方面的问题。 · 认证挑战 与半导体材料认证紧密相连的就是产品良率,良率好坏决定代工厂直接竞争力,因此各中下游代工制造厂商对上游材料的认证非常严格,某些关键材料的认证周期可长达2年甚至更久。 一旦认证成功,制造厂商和上游材料厂商将紧紧绑定在一起,只要上游材料商保证供应材料的持续稳定性,中端制造商将不会冒险考虑更换供应商,如今中国半导体材料产业快速发展,如何成功嵌入客户供应链将是未来面对的一大难题,在此期间,如果政府出面对合作厂商进行协调,将有助于加速半导体材料产业取得当地厂商的认证。 3 小结 中国当地半导体材料产品多偏向应用于LED、面板等中低阶应用,用于集成电路生产的材料依然以进口为主,中国生产替代空间非常庞大。未来随着多条中国新建晶圆制造产线陆续投产,预计2018年将为中国当地半导体材料产业发展带来新契机。 未来中国半导体材料产业发展趋势将从两方面同步进行: · 集中优势资源,针对各类别半导体材料,以一部分大厂为首,进行资源再整合; · 建立完善的半导体材料体系,加快核心材料的研发,实现中国国产替代。 中国半导体材料产业虽然克服了政策和资金的障碍,但仍面对来自技术、人才与客户认证等方面的严峻挑战。 未来产业将着重解决以下问题:基础专利瓶颈突破进展缓慢、半导体材料人才储备和培养严重不足、联合政府协调作用,以及率先突破当地认证关卡。 目前中国半导体材料产业虽然比较薄弱,关键材料仍以进口为主,但随着政府政策大力支持和大基金对产业链持续投入,已出现颇具实力的厂商,在积极投入研发创新下,各自开发的产品已初见成效,现已成为中国半导体材料产业的中坚力量。 因为制程精细度要求(技术规格)和影响(制造材料的影响会直接反映在芯片表现上,有些中低阶应用的封测材料和芯片的直接表现影响较小),半导体制造材料面对的是比封测材料更高的进入障碍(由于制程复杂度的差异,相较于封测材料,材料进入晶圆制造产线评估的难度较高,且接受度略低),这也使得同样是进口替代。 目前中国推广的项目主要集中在裸晶(Starting Materials)、光阻(从LED放量)与靶材(后段金属制程)等产值大,且较易独立评估技术指标的产品。由此可知,中国半导体晶圆制造相关材料产业需要获得更多支援,才能提高产业的竞争力。