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中国新材料产业未来发展方向——半导体材料
2024-04-29 16:46
1、硅片
硅片位于半导体产业链上游,是半导体器件和太阳能电池的主要原材料,主要应用于光伏和半导体两个领域,下游需求近年来不断增长。
分领域来看,光伏用硅片的产能大多集中在我国,中环、隆基等龙头公司实力强劲,生产技术水平全球领先;半导体硅片相对于光伏用硅片而言制作工艺更为复杂,应用场景也更多,市场价值更高,然而我国的半导体硅片产业起步晚,发展水平较为落后,全球市场被日本厂家垄断,市场主流的 12寸硅片在我国仍未达到规模化生产,严重依赖进口,以沪硅产业为代表的国内企业正努力打破技术壁垒,国产化替代的空间广阔。
(1)硅片下游应用广泛,是半导体器件和光伏电池的重要材料
硅是一种良好的半导体材料,耐高温、抗辐射性能较好,特别适宜制作大功率器件。以硅为原材料,通过拉单晶制作成硅棒,然后进行切割就形成了硅片。硅片主要用于半导体、光伏两大领域,半导体硅片在晶体、形状、尺寸大小、纯度等方面要比光伏用晶片要求更高,光伏用硅片的纯度要求硅含量为 4N-6N 之间
(99.99%-99.9999%),半导体用硅片在 9N-11N(99.9999999%-99.999999999%)左右,制作工艺更加复杂,下游应用也更为广泛。半导体用硅片位于产业链的最上游,主要应用于集成电路、分立器件及传感器,是制造芯片的关键材料,影响着更下游的汽车、计算机等产业的发展,是半导体产业链的基石。
(2)光伏用硅片:我国产能领先,龙头企业实力强劲
光伏产业是国家战略新兴产业之一,光伏用硅片位于光伏产业链的上游,近年来其需求在不断上升,
据 CPIA 预测,全球光伏市场的年装机量在 2021 年将会达到 150GW,具有广阔的市场和发展前景。我国是世界上最大的光伏用单晶硅片的生产国
,据中国有色金属工业协会硅业分会统计,截至 2019 年底,我国单晶硅片产能为 115GW,占全球的 97.6%。龙头企业隆基和中环占据国内单晶硅片 50%以上的市场份额,并在持续扩张产能的进程之中,新势力公司上机数控和京运通也在加速扩产。
据各公司公报统计2020 年我国单晶硅片产能约为 190GW,预计到 2021 年底国内单晶硅片产能将达到240GW。
(3)半导体硅片:严重依赖进口,国产替代空间广阔
受益于半导体产品的技术进步和下游相关电子消费品的品类增加,半导体硅片的需求量逐年上升,规模不断增长,2020 年全球半导体硅片的出货量达到 12.41 亿平方英寸,
根据 Gartner 的预测,2020 年全球硅片市场的规模将达到 110 亿美元左右,半导体硅片的市场前景广阔。
由于半导体硅片行业技术壁垒较高,当今全球半导体硅片行业被巨头垄断,集中度高,中国大陆地区厂商体量小。2020 年全球前五大硅片提供商日本信越化学(Shin-Etsu)、日本胜高(SUMCO)、中国台湾环球晶圆(GlobalWafers)、德国世创(Silitronic)、韩国鲜京矽特隆(SKSiltron)市占率合计超过 80%,我国大陆本土厂商沪硅产业市占率约 2.2%,体量较小。
硅片尺寸越大,单位晶圆生产效率越高。从 20 世纪 70 年代开始硅片就朝着大尺寸方向发展,当今全球最大尺寸的量产型硅片尺寸为 300mm,也就是 12 英寸硅片。12 英寸晶圆的需求近年来不断上升,据日本胜高预测,12 英寸晶圆 2020-2024 年的 CAGR可达 5.1%。全球的半导体硅片产能主要集中在行业巨头,我国半导体硅片起步晚,发展较为落后,仅有少数几家企业具有 200mm(8 英寸)硅片的生产力,我国的 12 英寸硅片在 2017 年以前全部依赖进口。
制作大硅片对硅的纯度要求很高,对倒角、精密磨削的加工工艺也有非常高的要求,我国的工艺水平落后,尚未实现 12 英寸硅片的规模化生产。沪硅产业在 2018 年实现了12 寸硅片规模化销售,打破了大尺寸硅片国产率为 0 的局面。12 英寸硅片仍然是当今硅片市场的主流,国内厂商具备追赶机会,大尺寸硅片的国产替代仍然具有较大的空间。
为推动半导体硅片这一重要材料的国产化进程,我国政府也出台了一系列政策来支持产业发展,推动大尺寸硅片的研发制造,促进半导体产业的发展。
(4)重要上市公司
国内的硅片生产公司业务范围覆盖较广,光伏和半导体硅片业务往往都有涉及。光伏用硅片的龙头企业中环和隆基股份实力强劲,龙头地位稳固;半导体硅片的国内厂商正在加速追赶,沪硅产业在 12 寸硅片领域一马当先,除此之外中环股份、立昂微、超硅半导体等企业也已进入大硅片领域。中国是全球最大的半导体终端市场,随着中国芯片产能的持续扩张,我国半导体硅片的市场规模将会加速增长,大硅片领域发展前景广阔。
2、碳化硅(SiC)
碳化硅是第三代半导体材料,具有非常优越的性能,是功率器件的重要原材料,近年来各国都投入大量人力物力发展相关产业。碳化硅行业门槛比较高,我国生产技术水平及较为落后,目前产业格局呈现美国独大的特点,仅 Cree 一家公司就占据导电型碳化硅晶片全球 62%的份额。碳化硅市场的发展前景广阔,近年来不断在电动车、光伏、轨道交通、智能电网等领域渗透,拥有强劲的下游需求,市场规模不断扩大。我国也在对碳化硅全产业链进行布局,今年来相关专利数量不断上升,以天科合达为代表的晶片生产厂商的市占率也在逐年提高,我国的碳化硅产业的未来发展空间较大。
(1)第三代半导体材料,新能源与 5G 的基石
碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,也是第三代半导体材料的代表材料。
碳化硅材料具有很多优点:化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨耐高压。采用碳化硅材料的产品,与相同电气参数的产品比较,可缩小 50%体积,降低 80%能量损耗,由于这些特性,世界各国对碳化硅材料非常重视,纷纷投入大量精力促进相关产业发展,国际上的各大半导体巨头也都投入巨资发展碳化硅器件。随着技术工艺的成熟、制备成本的下降,应用在各类功率器件上,近年来碳化硅功率器件在新能源汽车领域渗透率持续上升,是未来新能源、5G 通信领域中 SiC、GaN 器件的重要原材料。
(2)欧美占据 SiC 产业链的关键位置
碳化硅生产过程分为单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。碳化硅行业存在较高的技术门槛,研发时间长,
美国、欧洲、日本等国家与地区多年来不断改良碳化硅单晶的制备技术、研发制造相关设备,在碳化硅产业链各环节都具有较大优势。
行业巨头 CREE 实力强劲,其旗下的 Wolfspeed拥有垂直一体化的生产能力,在功率和射频器件市场具有领导地位;欧洲的英飞凌、意法半导体等公司拥有完整的碳化硅生产以及应用产业链;日本的罗姆半导体、三菱电机等在碳化硅功率模块开发方面领先;近年来代工企业也在增多,大陆与台湾地区企业逐步进入,代工企业包括大陆的三安集成、台湾地区的汉磊科技等。
目前,碳化硅产业格局呈现美国独大的特点。以重要产品导电型碳化硅晶片为例,2018年美国占有全球产量的 70%以上,仅 CREE 一家公司就占据 62%的市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他企业占据,中国企业仅占 1.7%的份额。
(3)新能源汽车、光伏产业发展促进碳化硅市场成长
碳化硅是极限功率器件的理想材料,耐高温高压,能源转换效率高,应用领域广阔。目前碳化硅功率器件有四个主要应用场景:
1)新能源汽车:电机驱动系统中的主逆变器;2)光伏:光伏逆变器;3)轨道交通:功率半导体器件;4)智能电网:固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统。
随着碳化硅功率器件的进一步发展,其在各个领域的渗透率不断提高,据 Yole,全球车载 SiC 功率器件的市场空间为预计到 2024 年可以达到 19.3 亿美金,对应 2018-2024 年复合增速达到 29%。据天科合达招股说明书预测,碳化硅功率器件在光伏逆变器中的占比在2025年将达到50%,轨道交通中碳化硅器件应用占比也将逐步上升。
在电动车和光伏逆变器需求的拉动下,根据 Omdia 预测,碳化硅和氮化镓功率半导体的新兴市场预计在 2021 年突破 10 亿美元;根据 IHS Markit 数据,2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元,受益于新能源汽车需求增长以及光伏产业的发展,预计到2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元,碳化硅行业的成长动力充足。
(4)碳化硅国产化需求强烈,逐步布局产业体系
我国是碳化硅最大的应用市场,但目前来看,我国的碳化硅产业还很不完善,国内从事碳化硅材料及功率器件研发制造的多为研究所和高校,缺乏规模化生产的能力。当前中国在碳化硅领域市占率低,但已逐渐培育产业链的各个环节,有望实现较好发展。国家对该产业发展也颇为重视,通过 863 计划、国家 02 重大专项促进其发展,并将碳化硅衬底列入十三五《战略性新兴产业重点产品目录》。从专利申报看,2018-2020 年我国与碳化硅相关的专利为 2,887 份,相关专利数量的上升显示我国相关企业碳化硅的技术储备的持续提升。近两年来国内已有少数企业进入碳化硅领域,中国企业在碳化硅单晶衬底方面以 4 英寸为主,目前已经开发出了 6 英寸衬底。以天科合达和山东天岳为主的碳化硅晶片厂商发展速度较快,市占率提升明显。三安光电在碳化硅产业链方面也在深度布局。
3、高纯金属溅射靶材
溅射靶材是集成电路的核心材料之一,近年来向着高溅射率、高纯金属的方向发展。
其下游应用场景主要包括半导体、面板、太阳能电池,随着消费电子终端市场的发展与完善,高纯金属溅射靶材的下游需求不断上升,2013-2020 年全球靶材市场规模的复合增速达 14%,市场规模逐渐扩大。溅射靶材的行业壁垒较高,美国与日本企业掌握核心技术,垄断全球市场。我国的溅射靶材行业起步较晚,较为落后,但市场需求全球领先,国产替代空间大。国内企业正在逐渐突破技术瓶颈,为打破美日垄断高端靶材市场的不
利局面而努力。
(1)集成电路的核心材料
溅射是制备薄膜材料的重要技术之一,溅射是指利用离子源产生的离子,在真空中经过加速聚集而形成高速度能的离子束流,轰击固体表面,离子和固体表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。集成电路中单元器件内部的介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺。
超高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分,溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节。靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节,对工艺水平要求高,存在较高的进入壁垒。靶材如今向着高溅射率、晶粒晶向控制、大尺寸、高纯金属的方向发展。
现在主要的高纯金属溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶、钨钛靶等,是制备集成电路的核心材料。
(2)消费电子推动靶材市场规模扩大
高纯溅射靶材产品的下游产业市场容量近年来在逐步扩大:1)半导体产业:随着智能手机、平板电脑等终端消费领域对半导体需求的持续增长,半导体市场容量进一步提升,半导体行业所需溅射靶材品种繁多,需求量大,稳定的下游市场增速将有力地促进溅射靶材销售规模的增长;2)平板显示器产业:近年来,液晶显示器逐渐成为全球主流的显示技术,在平面显示市场中得到了广泛的应用。为了保证平板显示器大面积膜层的均匀性,溅射技术越来越多地被用来制备这些膜层。
20 世纪 90 年代以来,消费电子等终端应用市场的飞速发展推动高纯溅射靶材产业的发展,市场规模高速增长。
2013-2020 年,全球溅射靶材市场规模预计将从 75.6 亿美元上升至 195.63 亿美元,复合增速为 14.42%
(3)高端靶材研制与生产主要集中在美国和日本
国外知名靶材公司在靶材研发生产方面已有几十年的沉淀。全球范围内,溅射靶材产业链各环节参与企业数量基本呈金字塔型分布,高纯溅射靶材制造环节技术门槛高、设备投资大,具有规模化生产能力的企业数量相对较少,主要分布在美国、日本等国家和地区。目前全球溅射靶材市场内主要有四家企业,分别是 JX 日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯,市场份额占比分别为 30%、20%、20%和 10%,合计垄断了全球 80%的市场份额。其中最高端的晶圆制造靶材市场基本被这四家公司所垄断,合计约占全球晶圆制造靶材市场份额的 90%,JX 日矿金属规模最大,占全球晶圆制造靶材市场份额比
例为 30%。
(4)高端靶材国内需求强劲,国产替代空间大
据测算 2019 年国内需求占全球靶材市场规模超过 30%,而本土厂商供给约占国内市场的 30%,高端靶材主要从美日韩进口,国内靶材市场至少有十倍的进口替代空间。仅就半导体用户靶材而言,据中国电子材料行业协会统计,2020 年国内半导体领域用溅射靶材市场规模 16.15 亿元人民币。预计到 2025 年,国内晶圆制造用溅射靶材市场规模将增长至 2.17 亿美元,封装领域用溅射靶材将增长至 1.18 亿美元,合计 3.35 亿美元,大约是人民币 23.45 亿元人民币左右。
受到发展历史和技术限制的影响,我国高纯溅射靶材产业起步较晚,目前仍然是一个较新的行业,主要高纯溅射靶材生产企业均由国有资本和少数民营资本所投资。与国际知名企业生产的溅射靶材相比,我国溅射靶材的生产水平还存在相当大的差距,市场影响力十分有限。国家通过各项政策促进行业发展,2016 年发布的《新材料产业发展指南》
提出要加强高纯金属溅射靶材生产技术研发。2018 年底进口靶材免税期结束,打开国内靶材国产替代可能。目前,国内正在逐渐突破关键技术门槛,打破溅射靶材核心技术由美日垄断、产品完全需要进口的落后局面。当前中国靶材制造商的部分产品已达到了国际先进水平,产品质量获得国内外下游企业的认可,通过在下游企业工厂附近建厂,靶材价格可能会比国外厂商低 10%-15%,替代必要性和战略意义明显。
(5)相关上市公司
国内企业中阿石创、隆华科技、有研新材和江丰电子靶材生产体量较大。其中阿石创、隆华科技产品主要用于面板。江丰电子产品在半导体、太阳能光伏和面板领域均有覆盖,有研新材主要生产半导体靶材。
来源:
银创智库
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