Отчет об исследовании китайской отрасли производства кремниевых пластин за 2023 год

Обзор рынка производства кремниевых пластин в Китае

Основные понятия и классификации

Определение кремниевых пластин
Кремниевые пластины относятся к тонкому, плоскому, круглому кремниевому матрице, которая является важным материалом для изготовления интегральных схем. Фотолитография, ионная имплантация и другие методы позволяют изготавливать интегральные схемы и различные полупроводниковые приборы. Кремний составляет около 27% земной коры. Он богат запасами и дешев, поэтому он стал самым широко используемым и самым объемным полупроводниковым базовым материалом в мире. В настоящее время более 90% полупроводниковых изделий изготавливаются из материалов на основе кремния. Кремниевые пластины представляют собой листовые объекты, изготовленные из кремния, диаметром 6 дюймов, 8 дюймов, 12 дюймов и т. д.

Классификация кремниевых пластин

Кремниевые пластины — это тип полупроводникового материала, широко используемый в электронике, компьютерах, коммуникациях, автомобилях, аэрокосмической промышленности и других областях. Кремниевые пластины классифицируются на полупроводниковые кремниевые пластины и фотоэлектрические кремниевые пластины в зависимости от чистоты кремниевых пластин; они классифицируются на полированные пластины, отожженные пластины, эпитаксиальные пластины и пластины SOI в зависимости от процесса; они классифицируются на 12 дюймов\300 мм, 8 дюймов\200 мм и 6 дюймов\150 мм в зависимости от размера. Среди них 200-мм и 300-мм кремниевые пластины имеют более широкий спектр применения.

Классификация кремниевых пластин

Сравнение кремниевых пластин с различными показателями чистоты

Основные области применения кремниевых пластин подразделяются на полупроводниковые кремниевые пластины и фотоэлектрические кремниевые пластины в соответствии с классификацией чистоты. В фотоэлектрической области используется как монокристаллический кремний, так и поликристаллический кремний, а требование к чистоте составляет около 99,9999% (4-6N). Они в основном используются для изготовления солнечных элементов и широко используются в фотоэлектрических электростанциях, распределенной фотоэлектрической генерации на крышах и других областях. В полупроводниковой области используется только монокристаллический кремний. Поскольку его процесс продолжает сокращаться, его чистота должна достигать 99,99999999% (11N) или выше. Он в основном используется для изготовления микросхем и широко используется в коммуникациях, бытовой электронике, автомобилях, промышленности и других областях.

В индексе классификации чистоты кремниевых пластин они классифицируются в соответствии с различными уровнями чистоты, и для измерения их чистоты обычно используется ppm (т.е. частей на миллион). Кремниевые пластины используются для кристаллического кремния, полупроводникового кремния, электронного кремния, промышленного кремния, производственного кремния, общего кремния и т.д. в соответствии с различной чистотой.

История развития мировой индустрии кремниевых пластин

Кремниевые пластины в целом развиваются в сторону больших размеров

Развитие мировых кремниевых пластин можно проследить до 1960-х годов. С непрерывным развитием технологий сфера применения кремниевых пластин постоянно расширялась. Фотоэлектрические кремниевые пластины и полупроводниковые кремниевые пластины представляют собой тонкие пластины, вырезанные из слитков монокристалла кремния, но области их применения различны. Фотоэлектрические кремниевые пластины в основном используются в производстве солнечных панелей, в то время как полупроводниковые кремниевые пластины используются для производства интегральных схем, транзисторов и других электронных компонентов. В области полупроводников кремниевые пластины являются ключевыми базовыми материалами для развития полупроводниковой промышленности. В процессе разработки кремниевых пластин, с непрерывным совершенствованием уровня технологий, чем больше размер кремниевых пластин, тем выше эффективность производства и применения полупроводников. Общая тенденция в отрасли производства кремниевых пластин направлена ​​на более крупные размеры, от начальных 1-inch и 2-inch до текущих основных рыночных 6-inch, 8-inch и 12-inch. В области фотоэлектричества, с продвижением чистой энергии, отрасль фотоэлектрической генерации продемонстрировала сильную тенденцию развития. Многие производители фотоэлектрической энергии расширили свои производственные мощности. Глобальная установленная мощность фотоэлектрической генерации продемонстрировала тенденцию быстрого роста, что также способствовало развитию глобальных фотоэлектрических кремниевых пластин. Размер кремниевых пластин увеличился с применением.

История развития индустрии кремниевых пластин в Китае

Усиление независимых исследований и разработок, внедрение инноваций в местный рост кремниевых пластин

Развитие китайских кремниевых пластин изначально зависело от импорта, и отечественная индустрия кремниевых пластин развивалась медленно. С закупкой зарубежного оборудования для производства кремниевых пластин и усилением исследований и разработок в области кремниевых пластин в Китае появилось несколько компаний по производству кремниевых пластин, и скорость локализации ускорилась. Когда индустрия кремниевых пластин в моей стране вступила в период быстрого развития, китайское правительство ввело соответствующую политику для поддержки развития индустрии кремниевых пластин. Развитие фотоэлектрических кремниевых пластин в моей стране началось в 2012 году. 100-156мм был популярен в отрасли, и стандарты были разными; в 2013 году единый стандарт размера кремниевой пластины пяти отечественных производителей составлял 156,75 мм; с 2019 года по настоящее время ведущие отечественные компании выпустили фотоэлектрические кремниевые пластины разных размеров, чтобы адаптироваться к развитию отраслей промышленности ниже по течению. Развитие полупроводниковых кремниевых пластин в Китае идет в ногу с международным темпом. Технические характеристики производства полупроводниковых кремниевых пластин отечественных предприятий расширились с 50 мм до 300 мм, а качество и конкурентоспособность продукции из кремниевых пластин постоянно улучшаются.

Введение в классификацию китайской отрасли производства кремниевых пластин

(一) Полупроводниковые кремниевые пластины: параметры и сценарии применения

Полупроводниковые кремниевые пластины относятся к тонким пластинам, вырезанным из кремниевых монокристаллических слитков, которые широко используются в качестве подложечных материалов в полупроводниковой промышленности. В настоящее время более 90% интегральных микросхем используют кремний в качестве подложечного материала. Согласно классификации размеров кремниевых пластин, спецификации обычно различаются по диаметру, обычно 6 дюймов, 8 дюймов, 12 дюймов и т. д. С момента первого массового производства 2--дюймовых кремниевых пластин в 1965 году до массового производства 12--дюймовых кремниевых пластин в 2000 году полупроводниковые кремниевые пластины продолжали развиваться в направлении больших размеров, и крупногабаритные кремниевые пластины стали основным направлением отрасли.

Согласно классификации сценариев применения кремниевых пластин, кремниевые пластины можно в основном разделить на положительные пластины и тестовые пластины. Положительные пластины используются непосредственно в производстве пластин; тестовые пластины используются для экспериментов и проверки состояния производственного оборудования на ранней стадии эксплуатации для повышения его стабильности.

(一) Полупроводниковая кремниевая пластина: размер кремниевой пластины

Технические характеристики и применение кремниевых пластин

Кремниевые пластины являются одним из важнейших видов сырья в электронной промышленности и в основном используются для производства интегральных схем, конденсаторов, диодов и других компонентов. Интегральные схемы представляют собой крошечные схемы, состоящие из большого количества базовых компонентов, таких как транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. д., которые могут использоваться в различных электронных устройствах, таких как компьютеры, коммуникационное оборудование и развлекательное оборудование. Полупроводниковые кремниевые пластины являются одним из основных материалов для производства интегральных схем.

Размеры полупроводниковых кремниевых пластин делятся на спецификации в зависимости от диаметра и делятся на 2 дюйма (50,8 мм), 4 дюйма (100 мм), 6 дюймов (150 мм), 8 дюймов (200 мм) и 12 дюймов (300 мм). Различные размеры кремниевых пластин и процессы используются для различных полупроводниковых продуктов.

Преимущества кремниевых пластин большого размера

Количество чипов, изготовленных на одной кремниевой пластине, увеличивается:чем больше пластина, тем меньше отходов на краях, что повышает коэффициент использования кремниевой пластины и снижает затраты. Если взять в качестве примера 300-миллиметровые кремниевые пластины, то их доступная площадь в два раза больше, чем у 200-миллиметровых кремниевых пластин при том же процессе, что может обеспечить преимущество в производительности до 2,5 раз по количеству чипов.

Общий коэффициент использования кремниевых пластин улучшается:Изготовление прямоугольных кремниевых пластин на круглых кремниевых пластинах сделает некоторые области на краях кремниевой пластины непригодными для использования, а увеличение размера кремниевой пластины снижает коэффициент потерь неиспользуемых краев.

Повышение производительности оборудования:При условии сохранения неизменной основной технологической цепочки: нанесение тонких пленок → фотолитография → травление → очистка и других основных условий разработки, сокращается среднее время производства чипа, повышается коэффициент использования оборудования и расширяются производственные мощности предприятия.

(I) Полупроводниковая кремниевая пластина: кремниевая пластина SOI
(II) Фотоэлектрическая кремниевая пластина: структура и параметры
(II) Фотоэлектрическая кремниевая пластина: индикаторы и процесс приготовления
(II) Фотоэлектрическая кремниевая пластина: путь к снижению затрат на технологию кремниевых пластин

Основные технологии китайской индустрии производства кремниевых пластин

Технология выращивания монокристаллов

Технология выращивания монокристаллического кремния: метод выращивания кристаллов, используемый для получения полупроводниковых материалов. Среди них монокристаллический кремний относится к кубической кристаллической системе и структуре алмаза и является полупроводниковым материалом с превосходными характеристиками. Технологии выращивания монокристаллического кремния включают: метод монокристалла Чохральского, метод Чохральского в магнитном поле и метод непрерывного вытягивания кристалла.

• Принцип метода Чохральского:Процесс заключается в том, чтобы поместить поликремний в кварцевый тигель, нагреть его и медленно расплавить, а затем охладить его в монокристалл через ось затравочного кристалла во время процесса нагрева, чтобы получить монокристаллический кремний. Конкретные шаги включают: загрузку, вакуумирование, заполнение защитным газом, нагрев, плавление, затравку и т. д.

•Магнитное поле Метод Чохральского:На основе метода Чохральского к расплаву в тигле прикладывается сильное магнитное поле для подавления тепловой конвекции расплава. Этот метод используется для выращивания монокристаллов кремния Чохральского с низкой концентрацией кислорода.

•Метод непрерывного вытягивания кристаллов:Используя специальную вертикальную монокристаллическую печь, кристаллический стержень вытягивается без добавления материалов и одновременно плавится. Уровень поликремниевой жидкости в тигле остается стабильным, что может обеспечить более стабильную среду теплового поля. Сырье непрерывно добавляется в процессе роста кристаллов, чтобы сделать процесс роста кристаллов более равномерным и стабильным.

Технология резки кремниевых пластин

Принцип резки кремниевой пластины:Верхняя поверхность кремниевого стержня фиксируется в режущем оборудовании, а кремниевый стержень медленно движется вниз и шлифуется высокоскоростной алмазной проволокой для достижения режущего эффекта. Функция резки кремниевой пластины заключается в разрезании кремниевого блока на кремниевые пластины с помощью движущейся режущей сетки режущей проволоки. В настоящее время технология резки кремниевой пластины имеет преимущества высокой эффективности резки, низкой стоимости и низких потерь материала. Технология резки кремниевой пластины имеет большое значение во многих областях, и технология резки уже давно является горячей темой в исследованиях в отрасли производства кремниевых пластин.

Внутренний круг кремниевой пластины относится к круглой области на поверхности кремниевой пластины, которая является краем кремниевой пластины. Функция внутреннего круга кремниевой пластины заключается в предотвращении разрушения края пластины, предотвращении концентрации термического напряжения и уменьшении трещин на краю кремниевой пластины, так что кремниевая пластина или элемент батареи ломаются под действием внешнего напряжения. Снятие фаски кремниевой пластины заключается в шлифовании сломанных краев, углов и трещин на краю кремниевой пластины для получения гладкой радиусной окружности на краю кремниевой пластины. Этот шаг обычно выполняется до или после шлифования. Существует три основные функции снятия фаски: предотвращение разрушения края пластины, предотвращение концентрации термического напряжения и снижение риска разрушения кремниевой пластины или элемента батареи из-за трещин на краю кремниевой пластины под действием внешнего напряжения.

Производственный процесс в китайской отрасли по производству кремниевых пластин

Процесс производства кремниевой пластины

Процесс производства кремниевой пластины сложен и включает в себя множество процессов. Основные производственные звенья включают в себя рост монокристалла, нарезку, полировку, эпитаксиальный рост и другие процессы. Рост монокристалла заключается в получении полупроводниковых материалов, которые соответствуют требованиям производства устройств, а очищенный поликристаллический материал должен быть выращен в монокристалл. Полировка заключается в удалении материалов микронного и наноуровня с поверхности кремниевой пластины посредством коррозии химических растворов в полирующей жидкости и удаления механического шлифования в полирующей жидкости. Эпитаксиальный рост заключается в выращивании монокристаллического слоя с той же ориентацией кристалла, что и подложка, на монокристаллической подложке, расширяя участок наружу от исходного кристалла. Новый монокристаллический слой, выращенный эпитаксиально, может отличаться от подложки с точки зрения типа проводимости, удельного сопротивления и т. д., а также могут быть выращены многослойные монокристаллы различной толщины и требований для повышения гибкости конструкции устройства и производительности устройства.

Вспомогательное технологическое оборудование для производства кремниевых пластин

Процесс производства кремниевой пластины включает в себя выращивание монокристалла, округление и резку, нарезку, снятие фаски и шлифовку, полировку, очистку и тестирование, которые соответствуют печи для выращивания монокристалла кремния, прокатному и режущему станку, слайсеру, станку для снятия фаски, полировальному станку CMP, чистящему и испытательному оборудованию. Наиболее важными из них являются резка и полировка. Резка заключается в том, чтобы отрезать кремниевую пластину от кремниевого слитка, в то время как полировка заключается в обработке поверхности кремниевой пластины для последующего производственного процесса.

Выращивание монокристаллов кремниевой пластины: метод Чохральского и метод зонной плавки

Основными процессами выращивания монокристаллов кремниевых пластин являются метод Чохральского и метод зонной плавки. Метод Чохральского Поместите очищенное сырье в тигель, а тигель поместите в соответствующее тепловое поле. В процессе нагрева сырье постепенно плавится в тигле. После этого предварительно помещенный затравочный кристалл вытягивается и вращается с определенной скоростью, чтобы вырастить монокристалл, отвечающий условиям. Метод зонной плавки относится к методу, который использует процесс плавления-затвердевания для удаления примесей на основе принципа равновесия жидкость-твердое тело. Зонная плавка может удалять примеси из элемента или соединения для достижения цели очистки. Монокристаллический кремний, полученный методом Чохральского, имеет высокое содержание кислорода, высокую механическую прочность и большой размер и в основном используется для производства маломощных интегральных схем, в то время как монокристаллический кремний, полученный методом зонной плавки, имеет высокую чистоту и однородные электрические свойства и в основном используется для производства мощных устройств.

Цепочка производства кремниевых пластин в Китае

Восходящие и нисходящие потоки развиваются согласованно, и спрос на рынке продолжает расти

Полупроводниковые приборы являются одной из основных областей применения кремниевых пластин, включая интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, датчики и другие области. Важная роль кремниевых пластин в полупроводниковых приборах особенно важна, поэтому требования к качеству и производительности кремниевых пластин очень высоки. Верхний поток цепочки производства кремниевых пластин в основном включает сырье для кремниевых пластин и оборудование для кремниевых пластин. Средний поток кремниевых пластин в основном включает технологический поток кремниевых пластин и классификацию кремниевых пластин. Производство кремниевых пластин требует использования высокоточного оборудования и технологий, включая выращивание монокристаллов, округление и усечение, нарезку, полировку и другие звенья. Нижний поток кремниевых пластин в основном включает отрасли применения, включая коммуникационные технологии, бытовую электронику, автомобили, облачные вычисления и т. д. Верхний и нижний поток кремниевых пластин развиваются в координации для совместного удовлетворения потребностей клиентов нижнего потока. Кроме того, кремниевые пластины также широко используются в солнечных панелях, светодиодном освещении и других областях, и рыночный спрос в этих областях также растет. Чтобы удовлетворить рыночный спрос, компании, производящие кремниевые пластины, должны постоянно улучшать качество и производительность кремниевых пластин, одновременно усиливая технологические исследования и разработки, а также инновации для содействия развитию отрасли кремниевых пластин.

Бизнес-модель китайской индустрии кремниевых пластин

Модель очистки силиконового материала и переработки смазочно-охлаждающей жидкости

Жидкость для очистки кремниевых материалов — это жидкость, используемая для очистки поверхности кремниевых пластин, которая может удалять загрязнения и оксиды с поверхности для последующей обработки. Жидкость для резки кремниевых материалов — это жидкость, используемая для резки кремниевых пластин, которая может облегчить резку кремниевых пластин. Услуги по очистке кремниевых материалов включают режим самоочистки, режим сторонней очистки (очистка вне завода) и режим сторонней очистки (очистка на заводе). Поскольку масштаб цепочки производства кремниевых материалов продолжает расширяться, существующий режим очистки больше не может соответствовать требованиям клиентов к чистоте. Поэтому завод предоставляет соответствующие услуги для обеспечения качества обслуживания и углубления профессионального разделения труда. Режимы обработки смазочно-охлаждающей жидкости включают прямой сброс, самостоятельную очистку и предоставление услуг на заводе. Режим обработки смазочно-охлаждающей жидкости способствует сокращению сброса отработанной жидкости и использования химикатов, экономии затрат на закупку смазочно-охлаждающей жидкости и чистящего средства, а также расходов на сброс сточных вод, снижению производственных затрат клиентов и повышению конкурентоспособности на рынке.

Сравнение моделей эксплуатации служб очистки силиконовых материалов

Режим обработки смазочно-охлаждающей жидкости

Изменения цен на кремниевые пластины влияют на себестоимость продукции

Поскольку кремниевые пластины широко используются в таких областях, как производство электронного оборудования и солнечная энергетика, подъемы и спады экономического цикла будут оказывать влияние на цены, а колебания цен на кремниевые материалы напрямую повлияют на себестоимость производства кремниевых пластин. Согласно данным PVInfoLink, в мировом тренде цен на кремниевые пластины цена на монокристаллические кремниевые пластины 210 мм, монокристаллические кремниевые пластины 182 мм и монокристаллические кремниевые пластины 166 мм зависит от рыночного спроса и колеблется в определенном диапазоне. Начиная с июня 2021 года цены на кремниевые пластины вошли в восходящий канал и достигли высшей точки в августе 2022 года с высокими темпами роста. Благодаря постоянному развитию технологий процесс производства кремниевых пластин стал более эффективным, а затраты продолжили снижаться. Кроме того, начиная со второй половины 2022 года, циклическое воздействие, вызванное несоответствием между спросом и предложением в мировой полупроводниковой промышленности, привело к колебаниям и снижению мировых цен на кремниевые пластины в течение последнего года.

Размер мирового рынка производства кремниевых пластин

Поставки кремниевых пластин остаются стабильными, объем рынка быстро растет

Полупроводниковые материалы на основе кремния в настоящее время являются полупроводниковыми материалами с наибольшим объемом производства и самым широким применением. Область применения полупроводников продолжает расширяться с развитием науки и техники. Такие новые области, как Интернет вещей, искусственный интеллект и облачные вычисления, бурно развиваются, открывая новые возможности для роста в отрасли полупроводниковых кремниевых пластин. С 2018 года мировые поставки полупроводниковых кремниевых пластин демонстрируют тенденцию к росту на фоне колебаний. По данным SEMI, поставки полупроводников вступят в новый цикл роста, начиная с 2021 года. Благодаря новым областям применения и популярности 12--дюймовых кремниевых пластин, ожидается, что мировые поставки кремниевых пластин превысят 15 миллиардов квадратных дюймов в будущем. По данным SEMI, размер мирового рынка полупроводниковых кремниевых пластин в основном оставался на уровне 11 миллиардов долларов США с 2018 по 2020 год. Начиная с 2021 года, с диверсифицированным развитием терминального оборудования, отрасль также вступила в период быстрого роста. Ожидается, что к концу 2023 года объем мирового рынка полупроводниковых кремниевых пластин превысит 14 млрд долларов США.

Размер рынка производства кремниевых пластин в Китае

Производство кремниевых пластин продолжает расти, а рынок сбыта огромен.

С 2018 года производство кремниевых пластин в моей стране в целом демонстрировало ежегодную тенденцию роста. Согласно данным CPIA, производство кремниевых пластин в моей стране вступило в свой пиковый период с 2021 года с ускоренными темпами роста. С расширением ведущих компаний, постоянными технологическими прорывами и ростом спроса на нисходящие потоки ожидается, что производство кремниевых пластин в будущем превысит 400 ГВт. В последние годы индустрия кремниевых пластин в моей стране быстро развивалась, и темпы роста внутреннего рынка превысили средние мировые темпы роста. Согласно данным SEMI, размер рынка полупроводниковых кремниевых пластин в моей стране превысил 10 миллиардов юаней с 2021 по 2022 год, и темпы роста продолжают ускоряться. Ожидается, что в будущем размер рынка превысит 15 миллиардов юаней, и есть широкие возможности для роста рынка.